水当量法测量液体比热容的改进*

靳亚康 范潇帅 张亚萍 郑志佳

(中国石油大学(华东)理学院 山东 青岛 266580)

1 引言

液体比热容作为重要的热力学参量，在生产实践中具有十分重要的作用，例如油气运输等，因此，精确地测量待测液体的比热容则显得尤为重要．液体比热容的测定常用冷却法和电流量热法[1，2]，目前实验室教学中，大多数采用单量热器电热法测量液体比热容，文献[3]改进单量热器为双量热器后，实验精度有所提高，但仍存在耗材多，操作复杂等问题，针对上述情况，经过大量的实验探究，采用以水作为基准物质并结合电压比较法，同时改进双量热器法和水当量法，不仅实验精度有进一步提高，且耗材少，实验操作也有所简化．

2 实验原理

由于双量热器法测量液体比热容存在计算量大、耗费待测液体多、操作复杂等缺陷，本文在大量实验探究的基础上，采用将水作为基准物质来测量液体比热容的水当量法，其实验原理如下．

分别称取质量为m1的待测溶液，质量为m2的水，加入两量热器内筒中，根据焦耳定律，在t时间内电流I通过电阻R1产生的热量为

Q1=I2R1t=U01It

(1)

对于另外一个量热器有类似的表达式

Q2=I2R2t=U02It

(2)

图1 水当量法实验原理示意图

由于两加热电阻串联在电路中，所以电流均为I．

根据比热容的定义有

(3)

同样有

(4)

设量热器内筒、搅拌器和电流导入铜棒的质量之和为mx，比热容为cx[铜质材料的比热容[4]为

cx=0.3873 J/(g·℃)]，则其水当量为[5]

(5)

比较(1)、(3)两式，得

(6)

同样可得

(7)

由式(6)、(7)可得

(8)

实验中保证温度与电桥输出电压间为线性关系，则有

(9)

将式(8)代入式(7)解得

(10)

设加入待测液体的量热器内筒、搅拌器和电流导入棒的质量之和为M1，而加入水的量热器内筒、搅拌器和电流导入捧的质量之和为M2，代入式(5)、(10)可得

(11)

3 实验结果与讨论

实验中以甘油为待测液体，分别用水当量法和双量热器法测量其比热容．

3.1 改进的水当量法测量甘油比热容

在通电电压分别为U01=9.55 V，U02=9.47 V时，测得桥路电压随时间变化的关系曲线，如图2所示.

由图2可得，U1和U2随时间变化基本满足良好的线性关系，其斜率分别为

k1=1.925k2=1.518

(12)

将数据代入公式(9)得到

c测1=2.60 J/(g·℃)

相对误差为

备注：m1=245.0 g;m2=194.4 g;

3. 2 双量热器法测量甘油比热容[3]

在通电电压分别为U01=7.74 V，U02=7.82 V时，测得桥路电压随时间变化的关系如图3所示.

备注：m1=225.3 g;m2=235.6 g;

将数据代入文献[5]中公式得

c测2=2.70 J/(g·℃)

相对误差为

3.3 两种方法比较

实验中分别用改进的水当量法和双量热器法测定乙醇、甘油、松节油的比热容，实验结果如表1所示．

表1 两种方法测量不同液体比热容结果精度表[比热容单位均为J/(g·℃)]

表1所得结果表明，改进后的水当量法测量精度比双量热器法有所提高．

4 应用前景展望

在油气运输过程中，比热容的实时测量尤为重要，例如当输油管道所输混合原油的混合比有变化时，必须及时确定所输混合油的比热容[6]．下面给出利用水当量法实时监测输油管道内所输油品比热容的示意图．

图4 水当量法实时监测输油管道内所输油品比热容系统示意图

如图4所示，通过油品采样系统定时对油气输送管道进行采样，将油品样本与水用电热法加热，并在加热过程中用微型电动机进行搅拌，通过非平衡电桥系统监测油品及水的温度变化情况，通过电压实时测量系统监测两者内置加热电阻两端电压，控制系统，综合分析各系统传输信号，按照水当量法测量原理经过编程处理计算得出油品比热容，以供工作人员制定管道输油计划．

5 结束语

本文在双量热器法测量液体比热容的基础上，采用水作为测量基准物质，同时改进水当量法和双量热器法，改进后的方法不仅实验精度得到提高，实验操作也有所简化，而且会更加方便地应用于生产实践．相比双量热器法与传统的水当量法，改进的水当量法有以下优势.

(1)精度较高．由表1结果可知，水当量法由于用水作为基准测量物质，使得测量结果更加准确稳定．对于不同液体比热容的测量，虽然改进的方法所测甘油和松节油的实验结果精度比乙醇高，但是整体而言，改进后的方法要比传统的双量热器法精度高，因此更加易于在生产实践中应用．

(2)耗材较少．相比双量热器法，水当量法只需少量待测液，便于在生产线等自动检测中使用．在自动检测中，如若两量热器内均盛装待测液，则需在生产线中考虑的影响因素相应增多，这样一来，耗材增多，且不利于生产线控制．

(3)操作简化．由于双量热器两个内筒中都需盛装待测液，实验操作难度较水当量法中只有一个内筒盛装待测液难度大．

在传统的双量热器法中，很多待测液的粘滞系数较大，不易于搅拌，改进后，只有一个量热器盛装待测液，实验操作的难度有所降低．

参考文献

1 阎向宏，张亚萍．电热法测液体比热容实验的改进 ．大学物理，1997，16(7)：23～24

2 王青狮．大学物理实验学．北京：科学出版社，2001.105～

108

3 孟军华，牛法富，张亚萍．新型液体比热容测量装置与方法的设计．实验室研究与探索，2011，30(4)：14～16

4 宋小龙，安继儒．新编中外金属手册．北京：化学工业出版社，2008.1094

5 王延兴，郭山河，文立君，等．大学物理实验．北京：高等教育出版社，2003.118～125

6 李才,苏仲勋．混合原油比热容的测定及其计算方法．油气储运，1992，11(3)：9～18