熱功當量實驗裝置圖

⑴ 焦耳熱功當量實驗的證明能量守恆和轉換定律的基礎性實驗

J.P.焦耳從1840年起，持續幾十年時間，用電量熱法和機械量熱法，做了大量實驗，得出結論：熱功當量是一個普適常數，同作功方式無關。從而證明了機械能(功)和電能(功)同熱量之間的轉換關系；論證了傳熱是能量傳遞的一種形式；為確認能量守恆和轉換定律的正確性打下了堅實的實驗基礎。1840年焦耳發現，導體內通以穩定電流後，產生的熱量Q同電流強度I的二次方、導線電阻R及通電的時間t成正比，即同電流所作的功W 成正比
W=JQ。
比例系數J表示產生1卡熱量所需作的功，稱熱功當量。其實驗裝置之一如圖1所示：容器由絕熱壁構成，電流作功使水的內能增加，從而水溫升高。用溫度計可測出溫差ΔT。使用簡單定義的使 1克水溫度升高1攝氏度所需熱量作為量熱單位（卡），則水的比熱容為c=1cal/(g·℃)，當知道水的質量m後，即可由Q=сmΔT確定所傳遞的熱量同電流所作的功W 間的關系式(W=JQ)，並定出熱功當量J。這種測量熱功當量的方法叫電量熱法。
焦耳還用機械量熱法來測定熱功當量。圖2是1845年他使用的實驗裝置的示意圖。重砝碼緩慢勻速下降，帶動輪軸和轉軸使翼輪攪拌水，功轉變為熱，使水溫升高。由溫度計測出攪拌前後水的溫差而算出熱量Q。轉變為熱能的機械功W可由砝碼下降的距離算出。由W=JQ公式又可測定熱功當量。焦耳測定熱功當量的實驗是在英國曼徹斯特進行的，其結果是使1磅水升高1華氏度需作功772英尺磅，這相當於1卡=4.157J。
國際公認的精確值是
J=4.186 8J/cal=4.184 0J/calth
其中cal和calth分別表示國際蒸汽表卡和熱化學卡。
國際單位制中已經規定熱量的單位為焦耳，卡暫時仍作為同焦耳並用的單位。熱功當量這個詞也將逐漸被廢除，但焦耳熱功當量實驗的歷史意義，將是永存的。

⑵ 利用熱功當量原理製作的儀器有哪些

熱功當量實驗指導書

一、實驗目的：

1.測量機械功轉變為熱能的能量守恆定律,並測量熱功當量。

2.掌握熱力學實驗結果的曲線校正方法．

二、儀器設備：

J-FR3型熱功當量實驗儀、天平（50mg）及附件、燒杯、溫度計（0.1）、秒錶、砝碼、鋼捲尺．

三、實驗原理：

J-FR3型熱功當量實驗儀的主要部分為兩個黃銅製成密切相合的圓錐體。外圓錐體直立於轉軸上，可由搖輪通過皮帶傳動使其轉動。並有記轉器與轉軸相聯。內圓錐體系空心銅杯，可盛放水，上置大圓盤，沿圓盤外周用軟線通過一小滑輪懸掛砝碼，使產生一力矩，以阻止內圓錐體隨同外圓錐體轉動。若此力矩與內圓錐體間的摩擦力矩相等且作用方向相反時，內錐體將停留不轉動，砝碼亦懸空。此種情況下，相當於外錐體轉動一樣。砝碼下落所作的功則完全消耗在克服內外錐體間的摩擦，故若圓盤半徑為R外錐體轉動n轉相當於砝碼下落

假定砝碼質量為m則砝碼下落所作之功，亦即消耗在內外錐體間的摩擦功為：

此項摩擦消耗的功全部轉變為熱能。其熱量可由內外錐體及杯內所盛水的溫度變化量予以求算。

四、實驗步驟：

1.熟悉儀器：先將大圓盤及內外兩錐體取下，可看到外錐體底座有一缺口，安裝時可將錐體轉動位置待缺口對准軸上的銷子，錐體即座落在軸上，扶正錐體並稍微向下壓緊即可。裝上大圓盤處於近水平位置。懸掛砝碼鉤的線一端固定在圓盤邊上將線在盤周槽內套一圈再跨過小滑輪，並使懸線與圓盤成正切。搖動搖輪，並一手拉住砝碼鉤，阻止圓盤及內錐體隨同外錐體轉動。試搖數轉後可加約100－200克砝碼，使在外錐體靜止時，能拖動圓盤帶動內錐體轉動。再徐徐搖動搖輪，控制搖轉的速度，將能使砝碼懸掛在空中不動。適當調節砝碼重量，至搖輪每分鍾約60轉較為適宜。

2.記錄數據：

室溫：由溫度計讀出；

圓盤周長：用圓盤上的線繞圓盤一周，用鋼捲尺測量細線的長度；

攪拌棒的質量，內、外圓錐體的質量：由天平測出，記轉器初始值：注意左邊的計數盤每格為一轉，而左邊的計數盤每格為100轉．

用燒杯取大約100ml的水（注意：水的溫度應低於室溫大約10度為宜，可用溫度計測量）.

放於天平上稱出燒杯連同水的總質量，然後取下熱功當量實驗儀的大圓盤，將水加入到小圓錐體的小杯中，至杯口12～15mm為宜．然後稱出剩餘水及燒杯的總質量．並記錄兩次稱量的結果，他們的差值即為我們實驗中注入水的質量。

3.重新裝上大圓盤並插入溫度計並浸入水中央。用攪拌器輕輕上下攪動，待溫度上長較為緩慢時，每隔大約二分鍾記錄一次水的溫度，並注意記錄每一溫度相對應的時間值（注意：在整個實驗過程中時間記錄值為連續變變化值，秒錶不可暫停或清零），一面觀察溫度計待水的溫度回升到較室溫低2度左右時，即可開始實驗。

4.隨即搖動手輪，控制搖輪速度，使砝碼保持在懸掛空中狀態，繼續不停搖轉，並不時攪動攪拌器及觀察溫度計並記錄每一時刻對應的溫度，每隔二、三分鍾記錄一次，待溫度計指示水溫已比室溫約高2度時停止搖轉，一面繼續攪動攪拌器並注意溫度計指示值的變化，停止搖轉後溫度仍會上升，將最高指示值記下，記錄記轉器最後讀數。

5.不斷的用攪拌器攪拌水，每隔大約二分鍾記錄一次水的溫度，記錄五～八組數據後才可停止．

6.取下溫度計及大圓盤，取出內外錐體，將錐體中的水倒入燒杯中，然後將燒杯中的水倒掉．整理桌面的儀器．

五、數據處理：

1. 熱功當量的計算：

室溫： ℃

內錐體的質量

外錐體的質量

攪拌棒的質量

開始量取的冷水同燒杯的總質量

所剩冷水同燒杯的總質量

水的比熱

黃銅的比熱

實驗開始時水的溫度

實驗終止時水的最高溫度

則可計算出銅錐體及水等所吸收的熱量為：

實驗開始時計轉器讀數

實驗終止時計轉器的讀數

圓盤的周長L

所懸掛砝碼的質量

重力加速度

則克服摩擦力所作的功為：

由此可計算得：

熱功當量：

2. 實驗測量結果的修正：

實驗開始前：

時間

溫度

實驗中：

時間

溫度

實驗終止後：

時間

溫度

在實驗准備開始前約10分鍾就開始對錐體中的水的溫度進行測量，每2分鍾記錄一次時間和水的溫度，實驗正式開始後，每3分鍾測量一次水的溫度，在實驗停止後，也要保持測量水的溫度約十分鍾以上，利用以上測量的結果作溫度－－時間曲線，如圖所示，將溫度上長部分AB延長，下降部分CD處長，然後通過室溫作平行於時間軸的直線交BD於G點，然後過G點作溫度軸的平行線分別交AB、CD的處長線於E、F點，則折線AEGFC為校正後的曲線，AE段為被測量的水在空氣中吸收熱量引起的溫度上升，EF段表示由無限快的做功和熱傳遞把熱量傳遞給水的過程，FC段表示由於水的溫度高於室溫所引起的放熱．

則E、F點即為理論上做功起點的溫度值和作功結束時的溫度值故我們可以利用這兩點再次計算出熱功當量的值．

六、注意事項：

1. 搖動搖輪時一定要勻速，切勿過快以免將細線拉斷。

2. 小心使用溫度計，輕拿輕放.凡打碎溫度計者將按儀器損壞賠償制度處罰，課堂實驗成績按零分計。

七、附錄：

1.牛頓冷卻定律

在系統與環境溫度差不太大時，可以採用牛頓冷卻定律來求出實驗過程中實驗系統所散失或吸收的熱量，實驗證明：溫度差相當小時，散熱速度與溫度差成正比，此即牛頓冷卻定律，用數學形式表示可以寫成：

其中是系統散失的熱量，是時間間隔，K是一個常數（稱為散熱常數）與系統表面積成正比，並隨著表面的吸收或發射輻射的本領而變；T、分別是我們考慮的系統及環境溫度，稱為散熱率，表示單位時間內系統散失的熱量．

⑶ （2007廣東）如圖為焦耳實驗裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水

A、在如圖所示的焦耳實驗裝置圖中，根據能量守恆定律，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水版，將機械能轉權化為水的內能，由W=JQ可求出熱功當量J的數值，故A正確．
B、通過做功實現了機械能向內能的轉化，而不是增加了水的熱量，故B錯誤．
C、通過做功，將機械能轉化為內能，即做功增加了水的內能，所以C正確．
D、功是能量轉化的量度，不同形式能量轉化的數值等於做的功，而熱量是熱傳遞過程中內能轉移的量度，可見，功和熱量含義是不同的，故D錯誤．
故選AC．

⑷ 固體比熱容的測量

http://www.bb.ustc.e.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part2/grade1/specificheat.html
實驗簡介

19世紀，隨著工業文明的建立與發展，特別是蒸汽機的誕生，量熱學有了巨大的進展。經過多年的實驗研究，人們精確地測定了熱功當量，逐步認識到不同性質的能量（如熱能、機械能、電能、化學能等）之間的轉化和守恆這一自然界物質運動的最根本的定律，成為19世紀人類最偉大的科學進展之一。從今天的觀點看，量熱學是建立在「熱量」或「熱質」的基礎上的，不符合分子動理論的觀點，缺乏科學內含。但這無損量熱學的歷史貢獻。至今，量熱學在物理學、化學、航空航天、機械製造以及各種熱能工程、製冷工程中都有廣泛的應用。

比熱容是單位質量的物質升高（或降低）單位溫度所吸收（或放出）的熱量。比熱容的測定對研究物質的宏觀物理現象和微觀結構之間的關系有重要意義。

本實驗採用混合法測固體（鋅粒）的比熱容。在熱學實驗中，系統與外界的熱交換是難免的。因此要努力創造一個熱力學孤立體系，同時對實驗過程中的其他吸熱、散熱做出校正，盡量使二者相抵消，以提高實驗精度。

實驗原理

n 混合法測比熱容

設一個熱力學孤立體系中有種物質，其質量分別為，比熱容為（）。開始時體系處於平衡態，溫度為，與外界發生熱量交換後又達到新的平衡態，溫度為，若無化學反應或相變發生，則該體系獲得（或放出）的熱量為

假設量熱器和攪拌器的質量為，比熱容為，開始時量熱器與其內質量為的水具有共同溫度，把質量為的待測物加熱到後放入量熱器內，最後這一系統達到熱平衡，終溫為。如果忽略實驗過程中對外界的散熱或吸熱，則有

式中為水的比熱容。代表溫度計的熱容量，其中是溫度計浸入到水中的體積。

n 系統誤差的修正

在量熱學實驗中，由於無法避免系統與外界的熱交換，實驗結果總是存在系統誤差，有時甚至很大，以至無法得到正確結果。所以，校正系統誤差是量熱學實驗中很突出的問題。為此可採取如下措施：

l 要盡量減少與外界的熱量交換，使系統近似孤立體系。此外，量熱器不要放在電爐旁和太陽光下，實驗也不要在空氣流通太快的地方進行。

l 採取補償措施，就是在被測物體放入量熱器之前，先使量熱器與水的初始溫度低於室溫，但避免在兩熱器外生成凝結水滴。先估算，使初始溫度與室溫的溫差與混合後末溫高出室溫的溫度大體相等。這樣混合前量熱器從外界吸熱與混合後向外界放熱大體相等，極大地降低了系統誤差。

l 縮短操作時間，將被測物體從沸水中取出，然後倒入量熱器筒中並蓋好的整個過程，動作要快而不亂，減少熱量的損失。

l 嚴防有水附著在量熱筒外面，以免水蒸發時帶走過多的熱量。

l 沸點的校正。在實驗中，我們是取水的沸點為被測物體加熱後的溫度，但壓強不同，水的沸點也有所不同。為此需用大氣壓強計測出當時的氣壓，再由氣壓與沸點的關系通過表5.3.3-1查出沸點的溫度。

採取以上措施後，散熱的影響仍難以完全避免。被測物體放入量熱器後，水溫達到最高溫度前，整個系統還會向外散熱。所以理論上的末溫是無法得到的。這就需要通過實驗的方法進行修正：在被測物體放入量熱器前4-5min就開始測度量熱器中水的溫度，每隔1min讀一次。當被測物體放入後，溫度迅速上升，此時應每隔0.5min測讀一次。直到升溫停止後，溫度由最高溫度均勻下降時，恢復每分鍾記一次溫度，直到第15min截止。由實驗數據作出溫度和時間的關系曲線（圖5.3.3-1）。

為了推出式（2）中的初溫度和末溫，在圖5.3.3-1中，對應於室溫曲線上之點作一垂直與橫軸的直線。然後將曲線上升部分AB及下降部分CD延長，與此垂線分別相交於E點和F點，這兩個焦點的溫度坐標可看成是理想情況下的和，即相當於熱交換無限快時水的初溫與末溫。

實驗內容

實驗內容是測量鋅粒的比熱容，實驗裝置如圖

n 稱出質量為的鋅粒，放入試管中隔水加熱（注意：水不能濺入）。在沸水中至少15min，才可認為鋅粒與水同溫。水沸騰後測出大氣壓強。

n 在鋅粒加熱的同時，稱出量熱器內筒及攪拌器質量，然後倒入適量的水，並加入冰屑使水溫降低到室溫下（注意：不能使筒外表有水凝結），利用公式（2）估算出水的質量後，稱出質量。

n 在倒入鋅粒前，一面用棒輕輕攪動，一面每隔一分鍾測一次水溫（注意：一定要待冰屑全部融化後才能開始測溫），計時5分鍾後將加熱好的鋅粒迅速而准確地倒入量熱器內（注意：不能使量熱器中水濺出，又切勿碰到溫度計），立即將蓋蓋好並繼續攪拌（注意：不能太使勁），同時，每隔半分鍾測一次水溫。至水溫均勻下降，每隔一分鍾測一次水溫，連續10min左右為止。

n 溫度計浸沒在水下的體積可用一個小量筒測得。先將水注入小量筒中，即下其體積，然後將溫度計插入水中，使溫度計插入水中的體積與在量熱筒中沒入水中的體積相同（以從量熱筒中取出溫度計上水印為准），讀出液面升高後的體積，則溫度計插入量熱筒水中的體積

（注意：實驗中溫度計中的水銀泡一定要沒入水中，但又不能碰到鋅粒）。

n 查表5.3.3-1得到實驗氣壓條件下水的沸點，即作為鋅粒加熱後的溫度。

n 作溫度-時間曲線，求出和。

n 根據式（2）求出鋅的比熱，並和鋅的標准比熱比較，求出相對誤差。

設計性內容

n 設計一種方法，測定金屬粉末（細屑）的比熱容，要求結果有2位有效數字。使用物品：透明塑料片、鋼板尺、溫度計各一個，軟木塞（暖瓶用）、橡皮筋各二個。

實驗重點

n 了解量熱器的構造，如何保證量熱器為孤立系統。

n 如何對實驗過程中的吸熱、散熱做出校正，盡量使二者相抵消，以提高實驗的精度。

思考題

n 實驗中採用什麼實驗條件來保障測比熱容的條件成立？

n 實驗中質量稱衡採用了精度較低的物理天平,為什麼測量溫度卻採用分度值為0.1°C的精密水銀溫度計?

n 為了提高量熱精度,實驗中採取了哪些措施?若要進一步提高測量精度可用什麼方法?