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第32卷第2期（2016） 河西学院学报 Vol.32No.2（2016）

混合法测债溶液比热容

董光兴王军葛素红＊王新星

（河西学院物理与机电工程学院，甘肃张掖734000）

摘要：

应用混合法测量了不同密度盐溶液的比热容，提出了一种应用牛顿冷却定律进行散热修正的方法．实验发现，在常温下盐溶液的比热容随着密度的增大而降低．因此，可以得到定性的结论，水中金属阳离子含量的增加会降低其比热容．

关键词：

溶液；混合法；食盐；比热容；散热修正

中图分类号：

0551.1 文献标识码：

A 文章编号：

1672-0520（2016）02-0054-05

DOI:

10.13874/j.cnki.62-1171/g4.2016.02.009

1引言

比热容是单位质址的物质升高（或降低）单位温度所吸收（或放出）的热星，其单位是焦耳每千克开尔文（J*kg-I*K-1）iii.比热容是物质的热学参数，反映物质在不同过程中容热本领的大小，与物质的种类和物质的状态有关．在址热学和测温学领域内，比热容的测量是一个重要内容．对千单一成分的均相物质，一般固体比热容的测量利用混合法，液体和气体比热容的测批利用比较法因但在自然界里，多种组分的混合物质占有很大比例，这些物质比热容的测最和获得具有实践意义，尤其对盐碱水溶液以及混合了盐碱水成分的冻土、盐碱地的冻胀分析有很大的意义

测扯单一成分均相物质的比热容，到测量混合物质的比热容的逐渐过渡，不但在实验上有可行性，在理论上也便于得到物质结构和能植分析上的解释因此，饱和食盐溶液的比热容很早就有人进行了测星和分析[3-5]_但是，不同密度（浓度）食盐水溶液的比热容的系列测扯却未见报道．因此，我们依据物理与机电工程学院普物实验室的基础设施对1%-30%浓度的食盐水溶液的比热容进行了测量，得到浓度与比热容的相关关系．液体或者溶液比热容的测量主要基于比较法，这样的实验可以得到较为精确的结论[6]_但我们实验室没有比较法测扯比热容的仪器，本实验利用的混合法测鼠液体的比热容，在处理数据上，我们提出了一种新的热量修正的方法．

2实验结果与讨论

2.1实验原理和用具

混合法测最物质的比热容的主要仪器采用的是一个具有内外筒的量热器和最小分度为0.1度的水银温度计．外筒由气密性良好的塑料制成，有较好的绝热效果．内筒盛水或待测液体，并带有搅

收稿日期：

2016-01-12

基金项目：

河西学院校长基金（XZ2014-20）;河西学院教改项目（HXXYJY-2014-024）.

作者简介：

董光兴（1971-）,男，甘肃平凉人，副教授，研究方向：

量子光学、普通物理教学

·54·

董光兴王 军，等：

混合法测量溶液比热容

拌器外筒、内筒搅拌器、待测溶液和热水组成测定系统实验装置如图I.

水银温度计



搅拌器

量热器塑料外筒

图1量热器示意图

Fig.I Schemeofthecalorimeterinstrument

混合法是把存在温度差的热水与食盐溶液混合，根据热平衡原理，热水与溶液混合过程中，热水放出的热量与溶液吸收的热量相等．但是混合系统不可避免与外界存在热交换，有热量的散失为了减小这部分误差，混合法测量比热容实验要求热水的温度高千环境温度，食盐水的温度低千环境温度在混合过程中当系统的温度高千环境温度，系统向环境散热，当混合系统的温度低千环境温度，系统从环境中吸收热量，实验调节混合系统的比例，使混合过程中系统与环境之间交换的正负热鼠量值相等，则可认为系统在整个过程中向环境散失热量为零，这就是补偿法热量修正的方法[6]_但在本实验中，食盐溶液置千实验室环境之中其初始温度与环境温度相等，因此用补偿法进行散热修正的方法无法应用，需要一种新的散热修正的方法进行数据处理．

根据比热容的定义，已知某物质的比热容C,可以计算出质量为m的该物质在温度升高或降低时吸收或放出的热最Q「6]:

Q=CmdT

（1）

热平衡原理指温度不同的物体混合后，热械将由高温物体传给低温物体．若和外界没有热交换，最后就会得到均匀的稳定不变的平衡温度．在这个过程中，高温物体放出的热量等千低温物体吸收的热量叽

Q吸=Q放

（2）

现将一定质量的热水放在量热器内，由千系统与外界的热交换的存在热水的散热速率可根据牛顿冷却定律计算表示气

—dQl=-k（r1-0）

dtl



（3）

式中d1t为热水散热时间，q为热水温度，0为环境温度．将食盐溶液与热水在量热器内混合

后，均匀搅拌使其达到热平衡．在这个过程中系统向外界散失热量的速率也可以用牛顿冷却定律来计算：

坐=-k（r2-0）

dt2

（4）

·55·

河西学院学报 2016年第2期

式中也为混合系统散热时间，互为混合系统温度，o为环境温度.k为比例系数，它与系统和环境有关，在本实验中环境相对稳定，两式中的K值相同．联合（3）式和（4）式可以推导出盐溶液与热水混合后达到热平衡的过程中混合系统向外界散失的热量的近似值为：

Q2=亿一．-0）

一M, QI



（5）

'1-0 Ml

其中dQI是热水降温过程中散失的热掀，可用水的热容乘以温度变化蜇计算．则在整个混合过程中，热水散失的热量减去系统向外界散失的热扯t1Q2等于盐溶液吸收的热蜇，若设水的比热容为C,溶液的比热容为C"根据热平衡方程式可得下式：

C,= （Cm+m,c,+m凸+l.98V）[亿-r,）- 了;,一飞旁·釭',]

M（rs-0）



（6）

其中m是热水的质阰，M是盐水的质最，T。

是热水的初温，Ts是混合液体的平衡温度-式是计算散热速率时热水系统温度的变化差值.M,是计算散热时热水降温所需时间间隔，Mz是计算散热大小时混合液降温所需时间间隔．而（Cm+m,c,+m凸+1.98V）是热水、量热器内筒、搅拌器和温度计插入水中部分的总热容

2.2实验结果与讨论

选择水的比热容为常温下（20°C）的数值C=4.182x103J/Kg*°C,星热器内筒（102.65g）为铜质材料，比热为0.385x103J/Kg*'t,搅拌器（12.28g）为铁质材料，其比热为0.481x103J/Kg*'t:

温度计的恁热容为l.98J/"C.混合溶液的配比方法是lg盐晶体加入100ml水中，可认为制成1%浓度的溶液（浓度近似表示）．实验的测址数据和依据我们的散热修正的处理方法得到不同浓度溶液的比热容在表1中列出．

表1溶液浓度与比热

Tab.I Thermalconducti\'itiesofrubber

浓度 热水质址

溶液质扯

系统初温

系统终温

环境温度

溶液比热容

（g）

（g）

（"C）

（"C）

（°C）

（J/g*'C）

1%

100.05

99.80

30.30

25.20

21.30

4.138

2%

100.70

100.50

32.40

26.36

20.25

4.130

3%

100.30

100.40

30.40

25.90

20.55

3.915

4%

99.75

99.60

30.20

24.70

19.30

3.951

5%

100.60

100.00

31.00

25.40

20.42

3.952

6%

100.02

100.10

30.90

25.85

20.05

3.898

7%

100.08

100.10

31.20

25.10

18.70

3.858

8%

103.30

103.40

31.00

25.80

20.30

3.882

9%

81.65

81.05

30.50

26.52

23.00

3.820

10%

100.01

100.20

29.20

24.50

19.55

3.759

12% 100.45

100.50

31.20

26.20 20.25 3.756

14% 101.58

lOl.60

29.30

24.50 19.10 3.705

15% 100.50

100.40

29.40

25.02 21.30 3.698

16% 101.10

101.40

31.10

26.10 21.30 3.675

17% 80.50

80.55

31.10

27.55 22.90 3.644

·56·

董光兴 王 军，等：

混合法测量溶液比热容

浓度

（g）

（g）

（'t）

（"C）

（'C）

（J/g*°C）

18%

100.80

100.70

31.09

26.02

20.55

3.579

20%

80.35

80.27

26.70

23.20

18.50

3.561

22%

101.20

101.20

28.50

24.40

18.65

3.319

24%

99.90

100.40

31.00

25.40

19.20

3.217

26%

103.95

100.06

30.30

25.54

20.30

3.129

28%

100.70

100.60

30.18

25.12

19.30

3.044

30%

103.50

103.20

32.14

26.82

21.30

3.038

热水质植

溶液质肚

系统初温

系统终温

环境温度

溶液比热容

在扯热学上，液体和气体的比热容测量一般用比较法，相比混合法，这种方法测得的实验结果较为准确6]_分析表1数据，本文混合法测址配合误差修正所得的结果与文献中现有数据比较，误差较小，可以认为结果是可信的文献中在20't:

条件下气2%食盐溶液的比热容是4.07,本文结论是4.130,误差为0.06;6%食盐溶液的比热容是3.89,本文结论是3.898,误差为0.008;10%食盐

溶液的比热容是3.73,本文结论是3.759,误差为0.029.2007年何晓明等报道了他们用比较法测量的

20%食盐溶液在22't:

条件下的比热容为3.5104气本文结论是3.129,误差为0.3814.2011年，武银兰和张青兰报道了饱和食盐水比热容的测扯结果，认为其比热容的数值在3.212-3.243（J/g*'t:

）范围内[SJ_饱和食盐水一般是指25%浓度的食盐溶液；本文的测量结果是在3.038以下（J/g*'t:

）范围内，约为2.933J/g*'t:

考虑到本文实验是在夏天进行，实验室的环境温度多数情况下大于20屯，盐溶液的比热容本身会小于20't:

条件下的比热．因此，这是比较好的一个结果．另外在20't:

时，食盐在水里的溶解度为36g,本文测扯了室温下溶解度以内不同浓度盐溶液的比热容，并给出浓度与比热容的相关关系，如图2所