CN103033533A - 一种液体比热容的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种液体比热容的测量方法包括步骤：测量得到一段时间范围内的第一量热器的初温T₁和末温T′₁，加热装置放出的热量Q₁；以及第二量热器的初温T₂和末温T′₂，加热装置放出的热量Q₂；得到关于D₁和D₂的式（a）的一组等式；加热装置放出的热量Q₁和Q₂分别由积分器得到；分别改变m₁和m₂后重复上述步骤，得到式（a）的另外一组等式；根据之前得到的式（a）的两组等式计算得到D₁和D₂；将得到D₁、D₂带入式（a），计算得出待测液体的比热c。本发明的液体比热容的测量方法，利用积分器计算热量，通过改变待测液体的质量，既能排除了量热器本身的内筒、搅拌器等铜质材料的比热容和质量的乘积的影响，又能准确记录加热装置放出的热量Q，极大的提高了液体比热容测量的准确程度。

Description

一种液体比热容的测量方法

技术领域

本发明属于比热容检测的技术领域，具体涉及一种液体比热容的测量方法。

背景技术

比热容(specific heat capacity)又称比热容量，简称比热，是使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能，即单位质量物质的热容量。液体比热容是衡量液体热力学性质的一项重要指标。

传统的测量液体比热容的方法主要为电热法和比较法。用电热法测量液体比热容，通常采用单量热器做为加热装置。采用电热法测量液体比热容，在测量过程中，由于搅拌器的搅拌作用，使得回路中的电流极其不稳定，一定程度上影响了测量结果的准确度。用比较法测量液体比热容时，为了消除因电阻的不同产生的***误差，需要进行交换测量，导致测量过程十分复杂。

针对传统的测量液体比热容的方法所存在的问题，《实验室研究与探索》 杂志在2011年4月第30卷第4期中，公开了一种新型液体比热容测量装置。该液体比热容测量装置包括双量热器电桥电路装置，如图1所示，两个量热器的材质，所处的外界环境完全相同，内部的电阻丝的电阻分别极为R₁和R₂。以R₃、R₄、R₅和R′₃、R′₄、R′₅分别表示可调电阻箱，以R′₁、R′₂和R表示滑线变阻器。其中，R₃、R₄、R₅与R′₃、R′₄、R′₅是等价的。在测量过程中，两个量热器内分别放入不同质量的同种物质同时进行测量，操作人员需要分别记录初始时刻和终了时刻两个量热器***的输出电压值。然后，根据两个时刻的两个量热器***的输出电压值U₁、U′₁和U₂、U′₂，两份待测液体的质量m1和m2，以及两个量热器的内筒、搅拌器等铜质材料的比热容与质量的乘积D1和D2，计算得到待测液体的比热容。

上述技术方案存在的缺点是：第一，无法排除在实验测量过程中电压和电流波动带来的影响。由于加热装置的电阻值随温度变化且又为非线性变化，两个量热器***的输出电压值并不能保证完全按照线性变化，因而仅仅根据初始时刻和终了时刻两个量热器***的输出电压值来计算整个实验测量过程中的发热量是不准确的：根据图2所示的UI-t（电压电流乘积与时间）曲线，该曲线包围的面积即为热量Q的准确数值。但是上述技术方案仅仅根据初始时刻和终了时刻两个量热器***的输出电压值（假设电流不变）计算得到热量Q，热量Q的数值误差的大小即为图2中的斜线所示的误差面积。第二，实验测量结果中，无法排除两个量热器的内筒、搅拌器等铜质材料吸取热量的影响，使得液体比热容实验测量结果的误差进一步增大。

发明内容

为了解决现有技术中的液体比热容测量装置发热量测量不准确、无法排除铜质材料吸取发热量的影响，导致液体比热容测量误差大的技术问题，提出一种发热量测量准确、可以排除铜质材料的比热容与质量的乘积的影响的，液体比热容的测量方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种液体比热容的测量方法，该方法适用的测量装置包括相互串联的第一量热器和第二量热器；该第一量热器和第二量热器上分别设有加热装置和测温装置；该第一量热器和第二量热器内分别装有质量为m₁和m₂的待测液体；

所述测量装置中还设有数据采集器和积分器；在干路上设有电流采集点，第一量热器和第二量热器上的加热装置上分别设有电压采集点；所述数据采集器可以同时采集电流采集点，以及第一量热器和第二量热器上的电压采集点的数据；所述积分器可根据所述数据采集器采集到的电流采集点和电压采集点的数据，利用积分测量的方法计算热量；

该方法具体包括以下步骤：

步骤i：测量得到一段时间范围内的第一量热器的初温T₁和末温T′₁，加热装置放出的热量Q₁；以及第二量热器的初温T₂和末温T′₂，加热装置放出的热量Q₂；加热装置放出的热量Q₁和Q₂分别由所述积分器计算得到；

利用Q₁=(cm₁+D₁)(T′₁-T₁)，Q₂=(cm₂+D₂)(T′₂-T₂)，

得到式（a）的一组等式：

$\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{({\mathrm{cm}}_1+D_1)(T_1^{\′}-T_1)}{({\mathrm{cm}}_2+D_2)(T_2^{\′}-T_2)}---\left(a\right)$

其中c为待测液体的比热，D₁和D₂分别为第一量热器和第二量热器本身的比热容和质量的乘积；

步骤ii：分别改变m₁和m₂后重复步骤i，得到式（a）的另外一组等式；

步骤iii：根据步骤i和步骤ii中得到的式（a）的两组等式计算得到D₁和D₂；

步骤iv：将步骤iii中得到D₁、D₂带入式（a），计算得出待测液体的比热c。

在上述技术方案中，所述数据采集器还可以采集第一量热器和第二量热器上的测温装置的温度信号。

本发明的有益效果是：

本发明的液体比热容的测量方法，利用积分测量的方法计算热量，通过改变待测液体的质量，既能排除了量热器本身的内筒、搅拌器等铜质材料的比热容和质量的乘积的影响，又能准确记录加热装置放出的热量Q，极大的提高了液体比热容测量的准确程度。

本发明的液体比热容的测量方法，利用积分器计算加热装置放出的热量，最大程度的消除误差，使得测量结果更加精确。

本发明的液体比热容的测量方法，通过设置可以五点同时采集的数据采集器，将测量装置中的电流表、第一量热器和第二量热器上的电压表，以及第一量热器和第二量热器上的测温装置的读数进行同时采集，很好的避免了人为的误差。

附图说明

图1是现有技术的液体比热容测量装置的电路原理示意图；

图2是现有技术的液体比热容测量装置的热量测量误差的UI-t（电压电流乘积与时间）曲线示意图；

图3是本发明的液体比热容的测量方法的电路原理示意图；

图4是本发明的液体比热容的测量方法的热量测量误差的UI-t（电压电流乘积与时间）曲线示意图；

图中附图标记表示为：

1-数据采集器； 21-第一温度采集点；22-第二温度采集点；31-第一电压采集点；32-第二电压采集点；4-电流采集点。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明的测量液体比热容的方法，利用积分测量的方法克服了测量过程中的电压波动带来的影响；通过改变待测液体质量m，消除掉热器、搅拌器等的比热容D对液体比热容测量带来的影响；五点数据同时采集，最大程度的消除误差。

类似于数学上积分求取某一曲线下面积的过程，如矩形法：就是把曲边梯形分成若干个窄曲边梯形，然后用窄矩形来近似代替窄曲边梯形，从而求得定积分的近似值。本发明的测量液体比热容的方法利用积分测量热量的原理是：利用能够执行积分运算的电路，使输出信号为输入信号的积分，同样的，输入信号是输出信号的微分。

具体的说，如图4所示的UI-t（电压电流乘积与时间）曲线，该曲线包围的面积即为热量Q的准确数值。在计算热量Q的时候，本发明采用积分的方法，将整段的UI-t曲线分为多个矩形，每个矩形的高为这一时刻电压电流乘积，宽为时间的间隔。当将时间间隔设为很小的一段时间时，例如百分之一秒，这个矩形的面积与百分之一秒时间内曲线下方的面积的区别，就是矩形上方的近似为三角形的斜线阴影部分的面积，该部分的面积是非常小的。于是，就可以认为多个矩形的面积的总和，就是UI-t曲线下方的面积的大小，而面积的大小就是热量的大小。

从另外一方面来说，在测量液体比热容时，需要对待测液体进行加热，在加热过程中，由于温度不断变化，电阻丝等加热装置的电阻值是不断变化的。于是，同样的电压或者电流加在加热装置上，其电流或者电压也不断发生变化。所以，现有技术的液体比热容的测量方法假设加热过程中电流不变，是不合适的。本发明的液体比热容的测量方法，利用积分器对加热装置放出的热量进行测量，当电压和电流采集的频率很高时，例如每秒超过100次甚至100，000次以上时，加热装置的电阻在两次采集间隔内可以认为是不变的。本发明的液体比热容的测量方法中测量的加热装置放出的热量更为准确。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

图3和4显示了本发明的液体比热容的测量方法的一种具体实施方式。如图3所示，该方法适用的测量装置包括相互串联的第一量热器和第二量热器，其干路上设有电流采集点4；第一量热器和第二量热器上分别设有用来加热的加热装置电阻丝、用来测量和采集加热装置电压数值的第一电压采集点31和第二电压采集点32、以及用来采集和测量待测液体温度的第一温度采集点21和第二温度采集点22。第一温度采集点21和第二温度采集点22分别为两个数字温度计。所述测量装置中设有可以同时采集电流采集点4、第一电压采集点31、第二电压采集点32，第一温度采集点21和第二温度采集点22这5个读数的数据采集器1。第一量热器和第二量热器内分别装有质量为m₁和m₂的待测液体。所述加热装置中设有可根据电流采集点4和第一电压采集点31、第二电压采集点32的数据计算热量的积分器。

本发明的液体比热容的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤i：测量得到一段时间范围内的第一量热器的初温T₁和末温T′₁，加热装置放出的热量Q₁；以及第二量热器的初温T₂和末温T′₂，加热装置放出的热量Q₂；

利用Q₁=(cm₁+D₁)(T′₁-T₁)，Q₂=(cm₂+D₂)(T′₂-T₂)，

得到式（a）的一组等式：

$\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{({\mathrm{cm}}_1+D_1)(T_1^{\′}-T_1)}{({\mathrm{cm}}_2+D_2)(T_2^{\′}-T_2)}---\left(a\right)$

其中c为待测液体的比热，D₁和D₂分别为第一量热器和第二量热器本身的比热容和质量的乘积。

步骤i中在计算加热装置放出的热量Q₁和Q₂时，加热装置放出的热量Q₁和Q₂分别由所述积分器根据所述数据采集器采集到的电流采集点4和第一电压采集点31、第二电压采集点32的数据得到，从而最大程度的消除误差，使得测量结果更加精确。

步骤ii：分别改变m₁和m₂后重复步骤i，得到式（a）的另外一组等式。

步骤iii：根据步骤i和步骤ii中得到的式（a）的两组等式计算得到D₁和D₂。本步骤iii中计算D₁和D₂的原理是，由于这两组等式（a）中的未知数只有D₁和D₂，于是可以通过两个等式来求出这两个未知数。

步骤iv：将步骤iii中得到D₁、D₂带入式（a），计算得出待测液体的比热c。

本发明的液体比热容的测量方法，通过改变待测液体的质量，排除了量热器本身的内筒、搅拌器等铜质材料的比热容和质量的乘积的影响，极大的提高了液体比热容测量的准确程度。

本发明的液体比热容的测量方法，通过设置可以五点同时采集的数据采集器，将测量装置中的电流表、第一量热器和第二量热器上的电压表，以及第一量热器和第二量热器上的测温装置的读数进行同时采集，很好的避免了人为的误差。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种液体比热容的测量方法，该方法适用的测量装置包括相互串联的第一量热器和第二量热器；该第一量热器和第二量热器上分别设有加热装置和测温装置；该第一量热器和第二量热器内分别装有质量为m₁和m₂的待测液体；

其特征在于，所述测量装置中还设有数据采集器和积分器；在干路上设有电流采集点，第一量热器和第二量热器上的加热装置上分别设有电压采集点；所述数据采集器可以同时采集电流采集点，以及第一量热器和第二量热器上的电压采集点的数据；所述积分器可根据所述数据采集器采集到的电流采集点和电压采集点的数据，利用积分测量的方法计算热量；

该方法具体包括以下步骤：

步骤i：测量得到一段时间范围内的第一量热器的初温T₁和末温T′₁，加热装置放出的热量Q₁；以及第二量热器的初温T₂和末温T′₂，加热装置放出的热量Q₂；加热装置放出的热量Q₁和Q₂分别由所述积分器计算得到；

利用Q₁=(cm₁+D₁)(T′₁-T₁)，Q₂=(cm₂+D₂)(T′₂-T₂)，

得到式（a）的一组等式：

$\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{({\mathrm{cm}}_1+D_1)(T_1^{\′}-T_1)}{({\mathrm{cm}}_2+D_2)(T_2^{\′}-T_2)}---\left(a\right)$

其中c为待测液体的比热，D₁和D₂分别为第一量热器和第二量热器本身的比热容和质量的乘积；

步骤ii：分别改变m₁和m₁后重复步骤i，得到式（a）的另外一组等式；

步骤iii：根据步骤i和步骤ii中得到的式（a）的两组等式计算得到D₁和D₂；

步骤iv：将步骤iii中得到D₁、D₂带入式（a），计算得出待测液体的比热c。

2.如权利要求1所述的液体比热容的测量方法，其特征在于，所述数据采集器还可以采集第一量热器和第二量热器上的测温装置的温度信号。

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