一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法与流程

本发明属于分析测量装置领域，涉及一种液体比热容测量装置及方法，具体涉及一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法。
背景技术：
：比热容（specificheatcapacity，符号c），简称比热，亦称比热容量，是热力学中常用的一个物理量，表示物体吸热或散热能力。比热容越大，物体的吸热或散热能力越强。它指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量，其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[j/(kg·k)]，即令1kg的物质的温度上升1开尔文所需的能量。比热容的测量是物理学的基本测量之一，属于量热学的范畴。量热学在许多领域都有广泛应用，特别是在新能源的开发和新材料的研制中，量热学的方法是不可缺少的。其中，针对液体比热容的测量方法有很多，如混合法、冷却法、比较法（用待测比热容与已知比热容比较得到待测比热容的方法）、电热法等等。现有的测量方法主要存在以下缺点：（1）测量原理相对复杂，涉及的技术手段多，需要测量的物理量多，后期计算量大，操作和学习者理解困难。（3）实验测量结果中，需要依次计算量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝、温度计等材料吸取的热量，需要单独测量内筒、搅拌器、加热电阻丝的质量，还要测量温度计没入液体中体积等参数，计算量大，另外，交叉计算后会使得实验测量结果的误差进一步增大。专利cn104990954a公开了一种液体比热容实验测量系统，是一种可以较为准确的测量不同种类流体比热容的测量系统，由加热系统、温度测量系统和实验误差修正系统组成。加热系统由从上至下分布四层的加热丝、搅拌器、稳压器、电流电压表组成；温度测量系统由从上至下分布四层的测温热电偶、样品杯中心热电偶及温度数据采集装置组成；实验修正系统由搅拌器发热量修正和实验系统散热修正组成。该测量系统能均匀加热不同类别的流体，并能准确实时的检测待测液体不同区域的温度，最终通过误差修正因子对实验结果进行修正使其更加趋近真实值。上述专利虽然能够对误差进行修正，但是仍然需要单独测量内筒、搅拌器、加热电阻丝的质量，还要测量温度计没入液体中体积等参数，计算量大，不利于实际工作和学习要求。专利cn103033533a公开一种液体比热容的测量方法包括步骤：测量得到一段时间范围内的第一量热器的初温t1和末温t′1，加热装置放出的热量q1；以及第二量热器的初温t2和末温t′2，加热装置放出的热量q2；得到关于d1和d2的式（a）的一组等式；加热装置放出的热量q1和q2分别由积分器得到；分别改变m1和m2后重复上述步骤，得到式（a）的另外一组等式；根据之前得到的式（a）的两组等式计算得到d1和d2；将得到d1、d2带入式（a），计算得出待测液体的比热c。本发明的液体比热容的测量方法，利用积分器计算热量，通过改变待测液体的质量，既能排除了量热器本身的内筒、搅拌器等铜质材料的比热容和质量的乘积的影响，又能准确记录加热装置放出的热量q，极大的提高了液体比热容测量的准确程度。该专利虽然能够通过消式来免去测算内筒、搅拌器、加热电阻丝、温度计等参数，但是步骤ii和步骤i不在一个完整的实验过程内，需要重新倒入新的液体，重新加热重新测量，因此，无法保证实验数据的一致性和准确性。技术实现要素：根据以上现有技术的不足，本发明提供一种采用消除法测量液体比热容的装置及方法，具有实验装置简单，成本低，测量数据少，计算方便，误差值小的特点。本发明所述的一种采用消除法测量液体比热容的装置，其特征在于：包括直流稳压电源、加热电路、搅拌电路、三组结构相同的量热器以及三组温度计；其中，所述加热电路与搅拌电路并联于直流稳压电源，所述加热电路包括依次串联的滑动变阻器、开关以及三组加热电阻丝，所述三组加热电阻丝均分到三组量热器中，所述搅拌电路包括依次串联的滑动变阻器、开关以及三组搅拌器，所述三组搅拌器均分到三组量热器中；所述三组温度计均分到三组量热器中；所述量热器包括内筒、外筒以及保温筒盖，所述内筒与外筒之间填充有保温材料，所述保温筒盖上开设有供加热电阻丝、搅拌器和温度计安装用的安装孔，其中两组所述量热器内分别填装有等体积的待测液体和水，余下一组所述量热器内填装有不同于另外两组体积的待测液体或水。其中，优选方案如下：加热电阻丝、搅拌器和内筒均采用相同的金属材料制作而成，更优选采用铜制作而成。所述内筒与外筒之间填充的保温材料为保温泡沫。所述保温筒盖为隔热硅胶盖。余下一组所述量热器内填装有0.8~1.2倍另外任意一组体积的待测液体或水。当余下一组内填装的是待测液体时，本发明采用上述装置利用消除法测量液体比热容，其特征在于按照以下步骤进行：（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度t1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度t2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的待测液体，并记录重量m3，初始温度t3，以及待测比热容c1；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为s；（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为t1＇、t2＇和t3＇，则有q1=(c1m1+s)(t1＇-t1)，q2=(cm2+s)(t2＇-t2)，q3=(c1m3+s)(t3＇-t3)，由于q1=q2=q3，且只有c1和s是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和s进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。当余下一组内填装的是水时，本发明采用上述装置利用消除法测量液体比热容，其特征在于按照以下步骤进行：（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度t1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度t2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的水，并记录重量m3，初始温度t3，以及已知比热容c；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为s；（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为t1＇、t2＇和t3＇，则有q1=(c1m1+s)(t1＇-t1)，q2=(cm2+s)(t2＇-t2)，q3=(cm3+s)(t3＇-t3)，由于q1=q2=q3，且只有c1和s是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和s进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。本发明基于比较法做出了改进，增加了第三组比较对象，第三组量热器中，虽然内部液体体积与前两组不同，但是内筒、搅拌器、加热电阻丝的质量都相同，唯一不同的是温度计没入液体内的体积不同，温度计所影响的热容微乎其微，在小数点后三位到四位数上，完全可以忽略不计，另外，本发明又对第三组量热器中液体的体积做了限定，为0.8~1.2倍另外任意一组的体积，又进一步减小了温度计没入液体中体积不同所带来的差别，因此，认为每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容相等，都记为s。这样，再利用上述方法，构成二元一次方程组，对c1和s进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。本发明所具有的优点如下：（1）结构简单，器材组件现有的实验室可以轻易组装搭配，大大降低了成本，便于实验或观察教学；（2）测量的物理量少，通过最终的公式推导，只需要记录每次前后温度，以及三组量热器中液体质量，大大减少了计算量，计算方便；（3）缩减了计算步骤，减去了多次计算后所带来的计算误差，为实验的准确性和可靠性提供了充分保障。附图说明图1为本发明的结构示意图；图中，1、直流稳压电源2、滑动变阻器3、开关4、加热电阻丝5、搅拌器6、温度计7、内筒8、外筒9、保温筒盖10、保温材料。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例1：如图1所示，一种采用消除法测量液体比热容的装置其特征在于：包括直流稳压电源1、加热电路、搅拌电路、三组结构相同的量热器以及三组温度计6；其中，所述加热电路与搅拌电路并联于直流稳压电源1，所述加热电路包括依次串联的滑动变阻器2、开关3以及三组加热电阻丝4，所述三组加热电阻丝4均分到三组量热器中，所述搅拌电路包括依次串联的滑动变阻器2、开关3以及三组搅拌器5，所述三组搅拌器5均分到三组量热器中；所述三组温度计6均分到三组量热器中；所述量热器包括内筒7、外筒8以及保温筒盖9，所述内筒7与外筒8之间填充有保温材料10，所述保温筒盖9上开设有供加热电阻丝4、搅拌器5和温度计6安装用的安装孔，其中两组所述量热器内分别填装有等体积的待测液体和水，余下一组所述量热器内填装有不同于另外两组体积的待测液体或水。加热电阻丝4、搅拌器5和内筒7均采用铜制作而成。所述内筒7与外筒8之间填充的保温材料10为保温泡沫。所述保温筒盖9为隔热硅胶盖。余下一组所述量热器内填装有0.9倍另外任意一组体积的待测液体或水。实施例2：当余下一组内填装的是待测液体时，采用实施例1所述的装置测量待测液体的比热容，按照以下步骤进行：（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度t1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度t2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的待测液体，并记录重量m3，初始温度t3，以及待测比热容c1；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为s；（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为t1＇、t2＇和t3＇，则有q1=(c1m1+s)(t1＇-t1)，q2=(cm2+s)(t2＇-t2)，q3=(c1m3+s)(t3＇-t3)，由于q1=q2=q3，且只有c1和s是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和s进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。具体数据如下：其中，c=4.186j/(g·k)组号样品初始温度（℃）结束温度（℃）温差（℃）液体质量（kg）第一组待测煤油2434100.24第二组水2428.54.50.3第三组待测煤油2435110.216带入上式中进行计算，得到c1=2.152j/(g·k)，s=0.08372j/g。其中，煤油的理论比热容值为2.132j/(g·k)，实际误差为0.93%，远小于要求误差1.5%，证明本发明方法切实可行。实施例3：当余下一组内填装的是水时，采用实施例1所述的装置测量待测液体的比热容，按照以下步骤进行：（1）向第一组量热器内填装待测液体，并记录重量m1，初始温度t1，以及待测比热容c1，向第二组量热器内填装与第一组相同体积的水，并记录重量m2，初始温度t2，以及已知比热容c，向第三组量热器内填装与第一组不同体积的水，并记录重量m3，初始温度t3，以及已知比热容c；每组量热器中的内筒、搅拌器、加热电阻丝和温度计在内的总热容记为s；（2）搅拌电路和加热电路通电，一段时间后，三组量热器内液体温度上升，分别记为t1＇、t2＇和t3＇，则有q1=(c1m1+s)(t1＇-t1)，q2=(cm2+s)(t2＇-t2)，q3=(cm3+s)(t3＇-t3)，由于q1=q2=q3，且只有c1和s是未知数，可以列成二元一次方程组，对c1和s进行求解，即可测出待测液体的比热容c1。当前第1页12