電熱法測熱功當量綜述

林嘉圳

摘 要：用電熱法測定熱功當量是普通物理學的一個熱學實驗，是使學生認識熱的本質(zhì)的重要實驗之一。熱功當量，是熱量以卡為單位與功的單位的轉(zhuǎn)換量度，由焦耳首先用實驗測定，其數(shù)值為4.18焦耳每卡。熱功當量的發(fā)現(xiàn)，使當時的人們更好地理解了熱的本質(zhì)，也說明了卡路里與焦耳為相當量而非相等。自國際單位統(tǒng)一熱量單位為焦耳后，熱功當量也就不復存在。但其實驗測定及數(shù)據(jù)對于物理學的發(fā)展的意義永遠存在。本文也進一步分析和探討了熱功當量的測量方法、誤差分析和實驗改進。

關(guān)鍵詞：電熱法;熱功當量;誤差分析;實驗改進

1熱功當量的測量方法

在一百多年來的發(fā)展中，人們發(fā)明了很多測量熱功當量的方法，下面簡單介紹幾種。

1.1.摩擦生熱法

摩擦生熱法因摩擦物質(zhì)狀態(tài)不同可分為液體摩擦生熱和固體摩擦生熱兩種思路。其中液體摩擦生熱是應用最多，也是焦耳測定熱功當量所用，按此思路可獲得多種測定熱功當量的方法，下面就以焦耳的實驗方法為例。

圖1即為焦耳測定熱功當量的實驗裝置簡圖，其原理是用重物下落去帶動許多葉片轉(zhuǎn)動 ，這些葉片攪動水摩擦產(chǎn)生熱量使水溫升高。[1]圖中量熱桶外壁是一個隔熱性能較好的筒壁，隨著重物的下落，葉片不斷攪拌水，與水發(fā)生摩擦導致水升溫。由水升高的溫度可計算出水獲得的熱量，單位為卡;由重物下降可計算出其減少的重力勢能，從而得到葉片對水做的功，進而得到熱功當量的數(shù)值。即：

1.2終溫法

1.3電熱法

隨著科技的發(fā)展，人們慢慢地采用了一種誤差更小、測量更精準的方法，這種方法就是電熱法。我們的綜述也主要圍繞這一方法展開。

如圖即為電熱法的實驗原理簡圖。圖中直流穩(wěn)壓電源連接一根浸入水中電阻絲，電阻絲加熱使水升溫，從而計算得出熱功當量。我們知道，在一個體系中，在體系溫度不變的情況下，對系統(tǒng)輸入一定量的電功率，使系統(tǒng)得到的電功與系統(tǒng)對外界放出的熱量相等。[2]即滿足：

公式（1）中分數(shù)線上單位為焦耳，分數(shù)線下單位為卡，因而得到熱功當量J，單位J/Cal

2實驗概述

本實驗是通過電熱法測量熱功當量，下面我們著重介紹一下該實驗的注意事項及不足之處。

實驗原理在上面已經(jīng)介紹過，就不再重新介紹。下面簡要介紹一下這個實驗的實驗步驟。

（1）測量隔熱桶內(nèi)壁的質(zhì)量，裝入一定量的水。

（2）將一個裝滿水的隔熱桶，于串聯(lián)電阻絲的閉合回路組裝在一起。

（3）插入溫度計，測量水的初始溫度。（注意溫度計不要觸碰到量熱計底部）。

（4）閉合電鍵，記下電流表和電壓表的數(shù)值。

（5）邊加熱邊用玻璃攪拌器攪拌，加熱一段時間后，斷開開關(guān)，放置一會后待溫度計示數(shù)穩(wěn)定后讀數(shù)并記下。

（6）計算得出熱功當量的數(shù)值。

（7）拆除器械。

以上便是該實驗的步驟及其注意事項，但實驗的系統(tǒng)誤差及偶然誤差很難避免，因此沒有完美的實驗，依舊存在不足之處。

（1）物體在加熱的過程中由于溫度存在于外界的溫度差會存在于外界的熱量交換，這部分熱量很難被測量出來，因此會影響實驗數(shù)值的精確度。

（2）電流做功由電阻絲通電發(fā)熱來實現(xiàn)，使用中發(fā)現(xiàn)電阻絲與兩個銅金屬棒的連接處由于接觸電阻大，發(fā)熱多，加上金屬棒與電阻絲在高溫水浴中容易氧化，所以金屬棒與電阻絲經(jīng)常接觸不良，接觸電阻大，實驗中電阻絲容易被燒斷，由于金屬棒生銹導致更換電阻絲很困難[3]。

（3）在加溫水的過程中，系統(tǒng)傳熱不均勻. 加熱快或攪拌慢了，量熱器內(nèi)的水上熱下涼，溫度計測得的是高溫層的水溫，引起計算結(jié)果偏小，加熱慢了或攪拌過快，攪拌器對水作的功和量熱器散熱引起計算結(jié)果偏大，同時容易引起電極短路[3]。

3誤差分析

我們知道，由于各種因素的影響，只要能把誤差控制在百分之5以內(nèi)就結(jié)果就已經(jīng)很接近真實值，此時就可以看作是一次成功的實驗。那么，實驗誤差是從哪里產(chǎn)生的呢？

（1）實驗裝置并非完全隔熱，水依然于外界存在間接或直接的熱量交換。

（2）在加熱過程中攪拌的不均勻?qū)е戮植可郎剡^高或過低。

（3）攪拌中玻璃攪拌器與水摩擦導致水升溫。

（4）在測量過程中讀數(shù)時由于分度值影響存在不可避免的誤差。

為了盡可能減小誤差，使實驗結(jié)果接近真實值，我們需要對實驗進行改進。

4實驗改進

對于該實驗的改進有多種方法，最常見的是對最終溫度的散熱修正。下面簡要說明散熱修正的原理及方法。

散熱修正是利用牛頓冷卻定律，講最終溫度通過計算畫出圖像并講最終數(shù)值修正的改進方法。步驟如下：

（1）通過測量得出其冷卻速率的曲線。

（2）將該曲線與其升溫曲線相結(jié)合，在時間相同的情況下，畫出其反向延長線至規(guī)定時間的一半，此時對應溫度即修正后的真正終溫。

除此之外，溫度補償法和線性回歸法也對散熱修正的方法進行了改進[4]，也有將DIS與該實驗相結(jié)合的方法[5]，這里就不一一展開。總之，凡是能減小誤差的方法，都能應用于實驗的改進。

參考文獻

[1]秦祝浩.關(guān)于熱功當量測定的實驗[J].物理通報，1958（05）：308-311.

[2]任亞杰.熱功當量的實驗研究[J].忻州師范學院學報，2003（02）：62-63+66.

[3]代偉，李駿，陳太紅，蘭小剛.電熱法測熱功當量實驗的改進[J].西華師范大學學報（自然科學版），2011，32（01）：95-98.DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2011. 01.014.

[4]何建勛，唐芳.電熱法測熱功當量實驗數(shù)據(jù)處理方法[J].物理實驗，2018，38（10）：54-58.DOI：10.19655/j.cnki.1005-4642.2018.10.013.

[5]董琳，倪敏，王歌，趙彩安，顧鋒.淺談熱功當量實驗與DIS的整合[J].物理通報，2018（08）：83-86.