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1、实验实验 415 液氮比汽化热的测量液氮比汽化热的测量液化氮气(简称液氮)的沸点约为196(77K),它是现代实验室中获得低温的最常用 的一种制冷剂。本实验测量在 1 个大气压下液氮处于沸点温度时的比汽化热。物质的比汽化 热是该物质汽化时所需吸热大小的量度。它是物质的主要热学特性之一。因液氮汽化较快, 实验时应采用动态法称衡,并须校正由于与外界热交换引起的误差等。本实验要求掌握电子 天平、量热器等使用方法,并学习安全使用液氮的方法。实验原理实验原理 物质由液态向气态转化的过程称为汽化。在一定压强下(如 1 个大气压) 、保持温度不变时,单位质量的液体转化为气体所需吸收的热量,称为该物质的比汽化
2、热 L,即。mQL当然,它也等于单位质量的该气态物质转化为同温度液体时所放出的热量。 比汽化热值与汽化时温度有关,如温度升高,则比汽化热减小。水在 100时的比汽 化热为 129103J/Kg,而在 5时为 136103J/Kg。这是因为随着温度升高,液相与汽相 之间的差别逐渐减小的缘故。 在盛有一定质量液氮的保温杯瓶塞上开个小孔,则瓶 内液氮将由于吸收周围大气中的热量而不断汽化为氮气。 可以用天平称出单位时间内汽化的液氮量。接着,将已知 质量、而温度为室温1的小铜柱从孔中放入液氮中。由于 1 个大气压下液氮的沸点很低(为 77.4) ,因此,铜柱立 即向液氮放热,从而使液氮汽化过程大大加快。
3、直至铜柱 温度和液氮温度相等时,它们之间的热交换才停止。用天 平称出盛有液氮的保温杯及铜柱的总质量 M,则 M 随时间 t 的变化情况如图 1 所示。图中 ab 段为液氮吸收空气中的 热量,部分汽化而质量 M 减小的过程;bc 段为液氮除吸收 空气中的热量外,还由于室温铜柱浸没入而引起剧烈汽化, M 迅速减小的过程;cd 段表示铜柱不再放热,液氮继续吸 收空气中热量而 M 继续减小的过程;垂直线 fg 则表示在 bc 段中仅考虑铜柱释放热量而汽 化的液氮质量 mN,即 mN=mfmg。 铜柱在上述过程中所释放的热量可用混合法来测量。将浸没在液氮中并与液氮同温度 的铜柱取出,迅速放入一盛水的量热
4、器中。若水和量热器的初温为2,而铜柱与水混合后, 两者温度开始达到相同的值为3,则铜柱从液氮的温度升高到3时吸收的热量为 (1)321tccaawwhcmcmcmQ式中 mw、cw分别为水的质量与比热容;ma、ca分别为量热器的内筒质量与比热容; mc、cc分别为搅拌器的质量与比热容;ht为温度计浸入水中的那部分的热容量。3一般小 于室温1,所以如使铜柱温度再从3上升到1则尚需吸收热量 Q2: (2)312bbcmQ式中 cb为铜的比热容,它的数值随温度而改变,由于温差的数值较小,cb可31 近似视为恒值,而 mb为铜柱的质量。 铜柱由温度1降至液氮温度时释放的热量 Q,应该等于它从液氮温度回
5、升到1时所吸 收的热量:21QQQ即3132bbtccaawwNcmhcmcmcmLm所以,液氮的比汽化热为:(3)31321bbtccaaww NcmhcmcmcmmL玻璃水银温度计浸没入水中的那部分的热容量 ht可由下述方法确定。玻璃水银温度计图 1 总质量 M 随时间变化关系由玻璃和水银组成。在常温下,玻璃的比热容 c玻=790J/(kg),玻璃的密度玻 =2.5103kg/m3;水银的比热容 c汞=138J/(kg),水银的密度汞=13.6103kg/m3。因此, 1cm3玻璃的热容量为 1.97J/(cm3);而 1cm3水银的热容量为 1.88J/(cm3)。由此可见, 同体积的玻璃与水银,热容量大致相当,所以可取平均值 1.92J/(cm3)来进行计算。于 是,玻璃水银温度计浸没部分的热容量为 ht=1.92VJ/ 式中 V 为水银温度计浸没部分的体积,单位为 cm3。实验装置实验装置 实验装置如图 2 所示。它由电子天平、保温杯及软木塞、铜样 品、量热器(关于量热器请阅实验 413) 、温度计等组成。1.保温杯 2.软木塞 3.液氮 4.细棉线 5.铜样品 图 2 用天平称衡保温杯
限制150内