热功当量实验装置图

⑴ 焦耳热功当量实验的证明能量守恒和转换定律的基础性实验

J.P.焦耳从1840年起，持续几十年时间，用电量热法和机械量热法，做了大量实验，得出结论：热功当量是一个普适常数，同作功方式无关。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；为确认能量守恒和转换定律的正确性打下了坚实的实验基础。1840年焦耳发现，导体内通以稳定电流后，产生的热量Q同电流强度I的二次方、导线电阻R及通电的时间t成正比，即同电流所作的功W 成正比
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。其实验装置之一如图1所示：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ΔT。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·℃)，当知道水的质量m后，即可由Q=сmΔT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2是1845年他使用的实验装置的示意图。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。
国际公认的精确值是
J=4.186 8J/cal=4.184 0J/calth
其中cal和calth分别表示国际蒸汽表卡和热化学卡。
国际单位制中已经规定热量的单位为焦耳，卡暂时仍作为同焦耳并用的单位。热功当量这个词也将逐渐被废除，但焦耳热功当量实验的历史意义，将是永存的。

⑵ 利用热功当量原理制作的仪器有哪些

热功当量实验指导书

一、实验目的：

1.测量机械功转变为热能的能量守恒定律,并测量热功当量。

2.掌握热力学实验结果的曲线校正方法．

二、仪器设备：

J-FR3型热功当量实验仪、天平（50mg）及附件、烧杯、温度计（0.1）、秒表、砝码、钢卷尺．

三、实验原理：

J-FR3型热功当量实验仪的主要部分为两个黄铜制成密切相合的圆锥体。外圆锥体直立于转轴上，可由摇轮通过皮带传动使其转动。并有记转器与转轴相联。内圆锥体系空心铜杯，可盛放水，上置大圆盘，沿圆盘外周用软线通过一小滑轮悬挂砝码，使产生一力矩，以阻止内圆锥体随同外圆锥体转动。若此力矩与内圆锥体间的摩擦力矩相等且作用方向相反时，内锥体将停留不转动，砝码亦悬空。此种情况下，相当于外锥体转动一样。砝码下落所作的功则完全消耗在克服内外锥体间的摩擦，故若圆盘半径为R外锥体转动n转相当于砝码下落

假定砝码质量为m则砝码下落所作之功，亦即消耗在内外锥体间的摩擦功为：

此项摩擦消耗的功全部转变为热能。其热量可由内外锥体及杯内所盛水的温度变化量予以求算。

四、实验步骤：

1.熟悉仪器：先将大圆盘及内外两锥体取下，可看到外锥体底座有一缺口，安装时可将锥体转动位置待缺口对准轴上的销子，锥体即座落在轴上，扶正锥体并稍微向下压紧即可。装上大圆盘处于近水平位置。悬挂砝码钩的线一端固定在圆盘边上将线在盘周槽内套一圈再跨过小滑轮，并使悬线与圆盘成正切。摇动摇轮，并一手拉住砝码钩，阻止圆盘及内锥体随同外锥体转动。试摇数转后可加约100－200克砝码，使在外锥体静止时，能拖动圆盘带动内锥体转动。再徐徐摇动摇轮，控制摇转的速度，将能使砝码悬挂在空中不动。适当调节砝码重量，至摇轮每分钟约60转较为适宜。

2.记录数据：

室温：由温度计读出；

圆盘周长：用圆盘上的线绕圆盘一周，用钢卷尺测量细线的长度；

搅拌棒的质量，内、外圆锥体的质量：由天平测出，记转器初始值：注意左边的计数盘每格为一转，而左边的计数盘每格为100转．

用烧杯取大约100ml的水（注意：水的温度应低于室温大约10度为宜，可用温度计测量）.

放于天平上称出烧杯连同水的总质量，然后取下热功当量实验仪的大圆盘，将水加入到小圆锥体的小杯中，至杯口12～15mm为宜．然后称出剩余水及烧杯的总质量．并记录两次称量的结果，他们的差值即为我们实验中注入水的质量。

3.重新装上大圆盘并插入温度计并浸入水中央。用搅拌器轻轻上下搅动，待温度上长较为缓慢时，每隔大约二分钟记录一次水的温度，并注意记录每一温度相对应的时间值（注意：在整个实验过程中时间记录值为连续变变化值，秒表不可暂停或清零），一面观察温度计待水的温度回升到较室温低2度左右时，即可开始实验。

4.随即摇动手轮，控制摇轮速度，使砝码保持在悬挂空中状态，继续不停摇转，并不时搅动搅拌器及观察温度计并记录每一时刻对应的温度，每隔二、三分钟记录一次，待温度计指示水温已比室温约高2度时停止摇转，一面继续搅动搅拌器并注意温度计指示值的变化，停止摇转后温度仍会上升，将最高指示值记下，记录记转器最后读数。

5.不断的用搅拌器搅拌水，每隔大约二分钟记录一次水的温度，记录五～八组数据后才可停止．

6.取下温度计及大圆盘，取出内外锥体，将锥体中的水倒入烧杯中，然后将烧杯中的水倒掉．整理桌面的仪器．

五、数据处理：

1. 热功当量的计算：

室温： ℃

内锥体的质量

外锥体的质量

搅拌棒的质量

开始量取的冷水同烧杯的总质量

所剩冷水同烧杯的总质量

水的比热

黄铜的比热

实验开始时水的温度

实验终止时水的最高温度

则可计算出铜锥体及水等所吸收的热量为：

实验开始时计转器读数

实验终止时计转器的读数

圆盘的周长L

所悬挂砝码的质量

重力加速度

则克服摩擦力所作的功为：

由此可计算得：

热功当量：

2. 实验测量结果的修正：

实验开始前：

时间

温度

实验中：

时间

温度

实验终止后：

时间

温度

在实验准备开始前约10分钟就开始对锥体中的水的温度进行测量，每2分钟记录一次时间和水的温度，实验正式开始后，每3分钟测量一次水的温度，在实验停止后，也要保持测量水的温度约十分钟以上，利用以上测量的结果作温度－－时间曲线，如图所示，将温度上长部分AB延长，下降部分CD处长，然后通过室温作平行于时间轴的直线交BD于G点，然后过G点作温度轴的平行线分别交AB、CD的处长线于E、F点，则折线AEGFC为校正后的曲线，AE段为被测量的水在空气中吸收热量引起的温度上升，EF段表示由无限快的做功和热传递把热量传递给水的过程，FC段表示由于水的温度高于室温所引起的放热．

则E、F点即为理论上做功起点的温度值和作功结束时的温度值故我们可以利用这两点再次计算出热功当量的值．

六、注意事项：

1. 摇动摇轮时一定要匀速，切勿过快以免将细线拉断。

2. 小心使用温度计，轻拿轻放.凡打碎温度计者将按仪器损坏赔偿制度处罚，课堂实验成绩按零分计。

七、附录：

1.牛顿冷却定律

在系统与环境温度差不太大时，可以采用牛顿冷却定律来求出实验过程中实验系统所散失或吸收的热量，实验证明：温度差相当小时，散热速度与温度差成正比，此即牛顿冷却定律，用数学形式表示可以写成：

其中是系统散失的热量，是时间间隔，K是一个常数（称为散热常数）与系统表面积成正比，并随着表面的吸收或发射辐射的本领而变；T、分别是我们考虑的系统及环境温度，称为散热率，表示单位时间内系统散失的热量．

⑶ （2007广东）如图为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水

A、在如图所示的焦耳实验装置图中，根据能量守恒定律，重物下落带动叶片搅拌容器里的水版，将机械能转权化为水的内能，由W=JQ可求出热功当量J的数值，故A正确．
B、通过做功实现了机械能向内能的转化，而不是增加了水的热量，故B错误．
C、通过做功，将机械能转化为内能，即做功增加了水的内能，所以C正确．
D、功是能量转化的量度，不同形式能量转化的数值等于做的功，而热量是热传递过程中内能转移的量度，可见，功和热量含义是不同的，故D错误．
故选AC．

⑷ 固体比热容的测量

http://www.bb.ustc.e.cn/jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part2/grade1/specificheat.html
实验简介

19世纪，随着工业文明的建立与发展，特别是蒸汽机的诞生，量热学有了巨大的进展。经过多年的实验研究，人们精确地测定了热功当量，逐步认识到不同性质的能量（如热能、机械能、电能、化学能等）之间的转化和守恒这一自然界物质运动的最根本的定律，成为19世纪人类最伟大的科学进展之一。从今天的观点看，量热学是建立在“热量”或“热质”的基础上的，不符合分子动理论的观点，缺乏科学内含。但这无损量热学的历史贡献。至今，量热学在物理学、化学、航空航天、机械制造以及各种热能工程、制冷工程中都有广泛的应用。

比热容是单位质量的物质升高（或降低）单位温度所吸收（或放出）的热量。比热容的测定对研究物质的宏观物理现象和微观结构之间的关系有重要意义。

本实验采用混合法测固体（锌粒）的比热容。在热学实验中，系统与外界的热交换是难免的。因此要努力创造一个热力学孤立体系，同时对实验过程中的其他吸热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验精度。

实验原理

n 混合法测比热容

设一个热力学孤立体系中有种物质，其质量分别为，比热容为（）。开始时体系处于平衡态，温度为，与外界发生热量交换后又达到新的平衡态，温度为，若无化学反应或相变发生，则该体系获得（或放出）的热量为

假设量热器和搅拌器的质量为，比热容为，开始时量热器与其内质量为的水具有共同温度，把质量为的待测物加热到后放入量热器内，最后这一系统达到热平衡，终温为。如果忽略实验过程中对外界的散热或吸热，则有

式中为水的比热容。代表温度计的热容量，其中是温度计浸入到水中的体积。

n 系统误差的修正

在量热学实验中，由于无法避免系统与外界的热交换，实验结果总是存在系统误差，有时甚至很大，以至无法得到正确结果。所以，校正系统误差是量热学实验中很突出的问题。为此可采取如下措施：

l 要尽量减少与外界的热量交换，使系统近似孤立体系。此外，量热器不要放在电炉旁和太阳光下，实验也不要在空气流通太快的地方进行。

l 采取补偿措施，就是在被测物体放入量热器之前，先使量热器与水的初始温度低于室温，但避免在两热器外生成凝结水滴。先估算，使初始温度与室温的温差与混合后末温高出室温的温度大体相等。这样混合前量热器从外界吸热与混合后向外界放热大体相等，极大地降低了系统误差。

l 缩短操作时间，将被测物体从沸水中取出，然后倒入量热器筒中并盖好的整个过程，动作要快而不乱，减少热量的损失。

l 严防有水附着在量热筒外面，以免水蒸发时带走过多的热量。

l 沸点的校正。在实验中，我们是取水的沸点为被测物体加热后的温度，但压强不同，水的沸点也有所不同。为此需用大气压强计测出当时的气压，再由气压与沸点的关系通过表5.3.3-1查出沸点的温度。

采取以上措施后，散热的影响仍难以完全避免。被测物体放入量热器后，水温达到最高温度前，整个系统还会向外散热。所以理论上的末温是无法得到的。这就需要通过实验的方法进行修正：在被测物体放入量热器前4-5min就开始测度量热器中水的温度，每隔1min读一次。当被测物体放入后，温度迅速上升，此时应每隔0.5min测读一次。直到升温停止后，温度由最高温度均匀下降时，恢复每分钟记一次温度，直到第15min截止。由实验数据作出温度和时间的关系曲线（图5.3.3-1）。

为了推出式（2）中的初温度和末温，在图5.3.3-1中，对应于室温曲线上之点作一垂直与横轴的直线。然后将曲线上升部分AB及下降部分CD延长，与此垂线分别相交于E点和F点，这两个焦点的温度坐标可看成是理想情况下的和，即相当于热交换无限快时水的初温与末温。

实验内容

实验内容是测量锌粒的比热容，实验装置如图

n 称出质量为的锌粒，放入试管中隔水加热（注意：水不能溅入）。在沸水中至少15min，才可认为锌粒与水同温。水沸腾后测出大气压强。

n 在锌粒加热的同时，称出量热器内筒及搅拌器质量，然后倒入适量的水，并加入冰屑使水温降低到室温下（注意：不能使筒外表有水凝结），利用公式（2）估算出水的质量后，称出质量。

n 在倒入锌粒前，一面用棒轻轻搅动，一面每隔一分钟测一次水温（注意：一定要待冰屑全部融化后才能开始测温），计时5分钟后将加热好的锌粒迅速而准确地倒入量热器内（注意：不能使量热器中水溅出，又切勿碰到温度计），立即将盖盖好并继续搅拌（注意：不能太使劲），同时，每隔半分钟测一次水温。至水温均匀下降，每隔一分钟测一次水温，连续10min左右为止。

n 温度计浸没在水下的体积可用一个小量筒测得。先将水注入小量筒中，即下其体积，然后将温度计插入水中，使温度计插入水中的体积与在量热筒中没入水中的体积相同（以从量热筒中取出温度计上水印为准），读出液面升高后的体积，则温度计插入量热筒水中的体积

（注意：实验中温度计中的水银泡一定要没入水中，但又不能碰到锌粒）。

n 查表5.3.3-1得到实验气压条件下水的沸点，即作为锌粒加热后的温度。

n 作温度-时间曲线，求出和。

n 根据式（2）求出锌的比热，并和锌的标准比热比较，求出相对误差。

设计性内容

n 设计一种方法，测定金属粉末（细屑）的比热容，要求结果有2位有效数字。使用物品：透明塑料片、钢板尺、温度计各一个，软木塞（暖瓶用）、橡皮筋各二个。

实验重点

n 了解量热器的构造，如何保证量热器为孤立系统。

n 如何对实验过程中的吸热、散热做出校正，尽量使二者相抵消，以提高实验的精度。

思考题

n 实验中采用什么实验条件来保障测比热容的条件成立？

n 实验中质量称衡采用了精度较低的物理天平,为什么测量温度却采用分度值为0.1°C的精密水银温度计?

n 为了提高量热精度,实验中采取了哪些措施?若要进一步提高测量精度可用什么方法?