一種絕熱式固體比熱容測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固體比熱容測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種絕熱式固體比熱容測(cè)量裝置 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 比熱容（specific heat capacity)又稱比熱容量，簡(jiǎn)稱比熱（specific heat)，是 單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量，即是單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)吸收或釋放的熱量。
[0003] 物質(zhì)的比熱容與所進(jìn)行的過程有關(guān)，在過程應(yīng)用上常用的有定壓比熱容Cp、定容 比熱容〇、和飽和狀態(tài)比熱容三種。
[0004] 定壓比熱容Cp:是單位質(zhì)量的物質(zhì)在壓力不變的條件下，溫度升高或降低rc或1K 所吸收或放出的能量。
[0005] 定容比熱容Cv:是單位質(zhì)量的物質(zhì)在容積(體積)不變的條件下，溫度升高或降低1 °C或1K所吸收或放出的能量。
[0006] 飽和狀態(tài)比熱容:是單位質(zhì)量的物質(zhì)在某飽和狀態(tài)時(shí)，溫度升高或降低1°C或1K所 吸收或放出的能量。
[0007] 固體比熱容是衡量固體熱力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。是描述物質(zhì)蓄熱能力的物理量， 固體比熱容的測(cè)定具有重要意義。
[0008] 如申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103837567 A的專利文獻(xiàn)，公開了一種能自平衡加壓的液體比 熱容測(cè)量裝置及方法，提供了一種能自平衡加壓的液體比熱容測(cè)量裝置及方法。
[0009] 固體比熱容測(cè)量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中熱學(xué)部分的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，以往的實(shí)驗(yàn)方法雖 然有一定的優(yōu)越性，但也存在不完善之處。例如：加熱裝置與混合物體的量熱器分離。當(dāng)把 待測(cè)高溫物體從加熱杯取出再放到量熱器中，高溫物體與外界溫差較大，轉(zhuǎn)移所需時(shí)間較 長(zhǎng)，向外界空間散失熱量較多，絕熱條件不能滿足，所以量熱實(shí)驗(yàn)的誤差一般較大。
[0010] 舊測(cè)量方法為水浴法加熱:將待測(cè)物體侵泡在水中加熱，達(dá)到熱平衡后取出，固體 上附帶的水份較多，如果不考慮水所攜帶的熱量，必將產(chǎn)生較大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種一種絕熱式固體比熱容測(cè)量裝置及測(cè)定方 法，通過使待測(cè)物在完全絕熱的情況下轉(zhuǎn)移，大大降低了測(cè)量誤差，具體技術(shù)方案如下： 一種絕熱式固體比熱容測(cè)量裝置，包括加熱杯（1)和量熱器(2)，還包括通道(3)，用于 密閉地連接所述加熱杯（1)和量熱器(2)，所述通道允許待測(cè)物從所述加熱杯（1)移動(dòng)至所 述量熱器(2);所述通道(3)內(nèi)設(shè)置閥（23)，自然閉合的所述閥（23)使所述通道(3)封閉，且 在待測(cè)物經(jīng)過時(shí)開啟；所述加熱杯（1)包括加熱器、加熱開關(guān)（11)、第一溫度傳感器（12)、用 于顯示加熱杯內(nèi)溫度的第一液晶屏(8)以及與所述通道(3)對(duì)應(yīng)的待測(cè)物出口；所述加熱杯 (1)內(nèi)設(shè)置放置待測(cè)物的支架，所述支架使待測(cè)物保持在液位以上的空間中，并允許待測(cè)物 從所述支架轉(zhuǎn)移至所述待測(cè)物出口；所述量熱器(2)具有大致密封的絕熱空間，包括攪拌器 (18)、第二溫度傳感器(17)以及用于顯示量熱杯（19)內(nèi)液體溫度的第二液晶屏（14)。
[0012] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述閥（23)為硅膠芯，所述硅膠芯具備圓柱形開口以及自 然閉合的尾部，其允許滾動(dòng)的待測(cè)物通過，待測(cè)物通過后尾部又能恢復(fù)自然閉合。
[0013] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述閥（23)為彈力止回閥，其具備僅允許待測(cè)物單向通過 的閥瓣以及為閥瓣提供彈力的彈簧。
[0014] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述閥（23)為翻板閥，所述翻板閥具備僅允許待測(cè)物單向 通過的翻板以及翻板配重物。具體地，翻板閥為蹺蹺板結(jié)構(gòu)，翻板閥由成一定角度的兩個(gè)翻 板閥片繞軸連接而成，一側(cè)翻板閥片帶有配重物，另一側(cè)翻板閥片堵塞通道;待測(cè)物通過翻 板閥后使其翻轉(zhuǎn)，物體通過通道，翻板閥在重力作用下又轉(zhuǎn)回原位。
[0015] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，還包括記憶金屬（25)，用于感受加熱杯內(nèi)的溫度并產(chǎn)生使 待測(cè)物滾落的位移。
[0016] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述記憶金屬(25)固定于所述支架，其變態(tài)溫度為大約100 °C，當(dāng)加熱杯內(nèi)水沸騰時(shí)，所述記憶金屬發(fā)生形變，將待測(cè)物推出支架，然后沿支架的坡道 運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過所述閥（23)并進(jìn)入所述通道(3)。
[0017] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，還包括硅膠隔膜(24)，設(shè)置于所述待測(cè)物出口下方的加熱 杯（1)內(nèi)，用于阻隔水蒸氣或蒸餾水進(jìn)入所述通道(3)。
[0018] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述量熱器(2)還具備電動(dòng)攪拌器（18)，所述電動(dòng)攪拌器能 夠正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使量熱杯內(nèi)水溫均勻。
[0019] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述待測(cè)物為金屬小球。
[0020] 作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述加熱杯（1)和量熱器(2)的外殼部分或全部采用透明材 料，以便于觀察。
[0021] 本發(fā)明還涉及一種利用上述任意測(cè)量裝置測(cè)量固體比熱容的方法，包括以下步 驟： 1) 稱出所述待測(cè)物的質(zhì)量m，其待測(cè)比熱容為Cv; 2) 稱出所述量熱杯質(zhì)量mi，根據(jù)量熱杯的材料獲取其比熱容c 1; 3) 量取質(zhì)量為m2的蒸餾水倒入所述量熱杯，測(cè)定溫度值to;所述蒸餾水的比熱容為C2; 4) 將一定量的蒸餾水倒入所述加熱杯（1)中； 5) 加熱杯（1)加熱蒸餾水，直到水沸騰并保持一段時(shí)間，待溫度穩(wěn)定后測(cè)定沸水溫度 ，即為所述待測(cè)物混合前的溫度，從所述第一液晶屏(8)讀??； 6) 使所述待測(cè)物通過所述待測(cè)物出口進(jìn)入所述通道(3)，然后落入所述量熱器(2)中， 且與量熱杯（19)中的蒸餾水混合； 7) 待量熱杯(19)中蒸餾水溫度不發(fā)生變化后，測(cè)定與待測(cè)物混合后的平衡溫度t，該平 衡溫度從所述第二液晶屏（14)讀?。?8) 通過計(jì)算得到固體球的比熱容Cv，計(jì)算公式為：
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具有顯著的技術(shù)效果： (1)本發(fā)明在加熱杯內(nèi)部與量熱器內(nèi)部搭建一個(gè)傾斜通道，且在其中設(shè)置有閥，將加熱 杯與量熱器隔離為兩個(gè)獨(dú)立的封閉系統(tǒng)，無熱量的傳遞。待測(cè)物體球由加熱杯到量熱器中， 且與液體(水)進(jìn)行混合，此過程是在加熱杯與量熱器內(nèi)部進(jìn)行，與外界無熱量的交換，基本 滿足絕熱條件，大大減少實(shí)驗(yàn)誤差。
[0022] (2)將水浴法加熱為蒸汽法加熱，固體球上附帶的水份較少，可以基本忽略其影 響，進(jìn)一步提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。
[0023] (3)手動(dòng)攪拌改為電動(dòng)攪拌。舊的量熱器蓋上開一小孔，在小孔中插入攪拌器，上 下攪拌液體(水)時(shí)，空氣通過小孔進(jìn)入量熱器中，會(huì)有內(nèi)外熱量交換，亦會(huì)產(chǎn)生誤差。量熱 器為一封閉系統(tǒng)，在量熱器杯蓋下部安裝有電動(dòng)攪拌器，采用電動(dòng)控制攪拌時(shí)間和次數(shù)(攪 拌時(shí)間不宜過長(zhǎng)），攪拌過程是在量熱杯內(nèi)部進(jìn)行，與外界無熱量交換，亦減少了實(shí)驗(yàn)誤差。 [0024] (4)酒精(水銀)溫度計(jì)測(cè)量溫度，讀數(shù)不準(zhǔn)確，玻璃易碎。作為優(yōu)選，將酒精(水銀） 溫度計(jì)測(cè)溫改為溫度傳感器探頭測(cè)溫，液晶屏?xí)r時(shí)顯示溫度值，讀數(shù)準(zhǔn)確直觀，提高了實(shí)驗(yàn) 裝置的智能化。
[0025] (5)在容納待測(cè)物體球的半圓形漏勺中安置某種記憶金屬，變態(tài)溫度為大約100 °C (高原地區(qū)使用可以采用變態(tài)溫度低于l〇〇°C的記憶金屬），當(dāng)水沸騰時(shí)，被加熱的記憶金屬 發(fā)生形變，推動(dòng)半圓形漏勺中物體球運(yùn)動(dòng)；當(dāng)溫度下降時(shí)記憶金屬恢復(fù)原態(tài)。
[0026] (6)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，加熱裝置、量熱裝置、溫度計(jì)等各種儀器零散放置，顯凌 亂。另外，加熱杯與量熱器外觀相似，極易誤操作，損壞儀器。本發(fā)明裝置為一體式結(jié)構(gòu)，將 加熱裝置、量熱裝置、雙層傾斜通道，這三部分一次性注塑成型，固定在凹形外圍槽