用杜瓦瓶改进电热法测定热功当量的实验

用杜瓦瓶改进电热法测定热功当量的实验

陈泳霖

阳江市阳东广雅学校 髙三 1班 阳江市 529900

摘要：测量热功当量的方法有很多，最传统的方法是热功当量提出者焦耳采用的利用液体摩擦生热，电热法是现在实验教学中采用较多的测量热功当量的方法。后世人们逐渐发明出的各种测量方法，也都会出现一些误差，结合各种文献，本篇文章主要围绕用杜瓦瓶改进电热法测量热功当量的实验展开研究和讨论。

关键词：杜瓦瓶；热功当量；测量装置

1前言

热功当量实验是测定能量守恒和转换规律、培养学生实验设计的能力、训练操作技能和研究数据处理方法的基本实验。所以测量热功当量的实验对于实验教育和物理学的发展都非常重要。电热法也是现在实验教学中采用较多的测量热功当量的方法,但实验操作过程中,由于系统会受一边自然冷却的影响,产生有一定的测量误差。为此本文用杜瓦瓶改进电热法测定热功当量的实验装置，实验设计可操作性强、方法正确、科学，实验误差小，经实验验证完全可行，实验效果非常满意．

2焦耳进行过的各种测定热功当量的实验

19世纪初，“热质说"特别流行，以至于焦耳认为热质是不存在的，热是一种能形式，所以他进行了很多实验。先后介绍了四种测定热功当量的方法，其中之一是使用带电金属。通电金属丝在水中加热。当量是根据电流做的功和水获得的热量来计算的。他发现:通电导体产生的热量与电流强度的平方、导体电阻和导通时间的平方成正比。这就是后来的焦耳定律，以他的名字命名的。测定热功当量最著名的的实验是1845年发表的关于通过摩擦加热液体的实验，即焦耳热功当量实验。

从1840年起，焦耳用电量热法和机械量热法进行了数十年的许多实验，得出结论:热功当量是一个与工作方式无关的普遍常数。从而证明了机械能(功)和电能(功)同热量之间的转换关系;论证了传热是能量传递的一种形式。为证实能量守恒和转换定律的正确性奠定了坚实的实验基础。1840年焦耳指出，通过直流导体后放出的热量Q与电流l的平方、导线的电阻R、供电时间t成正比，即电流W=JQ。

比例系数J表示产生1卡热量所需作的功，称热功当量。其实验装置容器由绝热壁构成，电流作功使水的内能增加，从而水温升高。用温度计可测出温差AT。使用简单定义的使1克水温度升高1摄氏度所需热量作为量热单位(卡)，则水的比热容为c=1cal(g°C)，当知道水的质量m后，即可由Q=cmΔT确定所传递的热量同电流所作的功W间的关系式(W=JQ)，并定出热功当量J。这种测量热功当量的方法叫电量热法。

焦耳还用机械量热法来测定热功当量，图1所示。重砝码缓慢匀速下降，带动轮轴和转轴使翼轮搅拌水，功转变为热，使水温升高。由温度计测出搅拌前后水的温差而算出热量Q。转变为热能的机械功W可由砝码下降的距离算出。由W=JQ公式又可测定热功当量。焦耳测定热功当量的实验是在英国曼彻斯特进行的，其结果是使1磅水升高1华氏度需作功772英尺磅，这相当于1卡=4.157J。

图1：机械量热法装置示意图

后来,焦耳又继续进行了摩擦生热的实验,得出以下两条重要结论：一、由物体(不论固体和液体)的摩擦所产生的热量，总是与所消耗的力之量成正比。二、要使一磅水(在真空中,55°至60°F时称量)的温度升高1°F,需要消耗相当于使772磅的重物下落1英尺的机械力。

3杜瓦瓶测热功当量

100年后的今天，实验室有两种测热功当量的装置。一种是由内杯和外杯组成的，两个锥形铜杯连接牢固，外杯固定在一个简上，简在马达的带动下转动，因而外杯也一起转动。内杯与圆盘互锁在一起，圆盘的边缘上有槽，槽内绕着一根细绳，绳的一端系着一个弹簧秤，弹簧秤的另一端固定。当外环转动时，只有弹簧伸缩，铜杯间相互岸擦。另一种装置是用电功和热量的转换来测定热功当量的。

在上述装置中，后两种显然是最实用的，但通过转换功率和热量来测量输出是一种间接测量。因此，广泛使用内外铜杯相互摩擦的装置。此类装置结构复杂，绝热性能较差，虽然采用牛顿冷却定律进行散热修正，但测量结果误差仍然较大，偏离公认值J=4.1866焦耳/卡。

相比之下，通过改进的杜瓦瓶加热法测定热功当量，是测定热功当量最简单的方法。它具有取材方便，绝热性能高，测量准确度高等优点。

3.1实验方法

本实验所要用到的实验器材有：电子天平，高密度的单端加热管，杜瓦瓶，电子计时器，金属内筒，温度计，开关，直流电源，导线，电压表，电流表，玻璃搅拌器等。

图2实验装置图

如图1即为杜瓦瓶测量热功当量的实验装置图[2]，实验方法是用橡胶塞塞住小杜瓦瓶瓶口,将弯成90°的小玻璃管插入橡皮塞。玻璃管内径为3mm。在胶塞上,将另一高密度的单端加热管插入杜瓦瓶中,将一侧高密度加热管通过软导线连接到设备的电源上,仪器电源采用直流稳压可调电源.这就做成了一个较简单的用杜瓦瓶改进电热法测热功当量的实验装置.

3.2实验原理

在杜瓦瓶中加入了适量的水,加热电阻丝加上直流工作电压,水沸腾后,蒸汽从出汽口冒出来.测出加热电阻丝上两端的电功A,以及在此电功A作用下汽化的液体的质量m,则:A=mL+h。h为整个系统散失的热量;L为液体的汽化热.假定在相同的时间间隔里,液体的汽化使实验装置散失的热量相等,则可得到下列等式:J=A/Q=(A1－A2)/L(m1－m2)(J/cal)

A1及A2为相同时间间隔, 相同条件下,两次不同电功作用下的实验数据,水的标准汽化热L等于539x103cal/kg,进一步测得：

热功当量：J=A/Q=(A1－A2)/L(m1－m2)=4.108(J/cal)

百分误差:E=(4.1868－4.108)/4.1868=1.88%

4结论

这说明我们的实验是比较成功的。本装置结构简单,操作容易, 杜瓦瓶绝热性能高，测量准确度高，加热装置采用高密度的单端加热管，使用寿命长,加热功率稳定.加热电功可以实时测量汽化量,无需测温.通常实验误差都能控制在百分之25以内,因此达到了改进实验装置的目标.

参考文献

[1] 胡平亚.用电热法测热功当量实验的改进[J].物理实验,1988(05):199-200.

[2] 董琳,倪敏,王歌,赵彩安,顾锋.浅谈热功当量实验与DIS的整合[J].物理通报,2018(08):83-86.

[3] 代伟，方小兵，陈太红等.大学物理实验［M］．北京:科学出版社，2010，106－108．