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液氮比汽化热的测量

时间:2019-04-22 14:28来源:未知 作者:班德液氮罐 点击:
液氮比汽化热的测量:液化氮气(简称液氮)的沸点约为-196℃(77K),它是现代实验室中获得低温的最常用的一种制冷剂。本实验测量在1个大气压下液氮处于沸点温度时的比汽化热。物质的比汽化热是该物质汽化时所需吸热大小的量度。它是物质的主要热学特性之一。因液氮汽化较快,实验时应采用动态法称衡,并须校正由于与外界热交换引起的误差等。本实验要求掌握电子天平、量热器等使用方法,并学习安全使用液氮的方法。自增压液氮罐

实验原理

物质由液态向气态转化的过程称为汽化。在一定压强下(如1个大气压)、保持温度不变时,单位质量的液体转化为气体所需吸收的热量,称为该物质的比汽化热L,即。当然,它也等于单位质量的该气态物质转化为同温度液体时所放出的热量。

比汽化热值与汽化时温度有关,如温度升高,则比汽化热减小。水在100℃时的比汽化热为129×103J/Kg,而在5℃时为136×103J/Kg。这是因为随着温度升高,液相与汽相之间的差别逐渐减小的缘故。

在盛有一定质量液氮的保温杯瓶塞上开个小孔,则瓶内液氮将由于吸收周围大气中的热量而不断汽化为氮气。可以用天平称出单位时间内汽化的液氮量。接着,将已知质量、而温度为室温?1的小铜柱从孔中放入液氮中。由于1个大气压下液氮的沸点很低(为77.4Κ),因此,铜柱立即向液氮放热,从而使液氮汽化过程大大加快。直至铜柱温度和液氮温度相等时,它们之间的热交换才停止。用天平称出盛有液氮的保温杯及铜柱的总质量M,则M随时间t的变化情况如图1所示。图中ab段为液氮吸收空气中的热量,部分汽化而质量M减小的过程;bc段为液氮除吸收空气中的热量外,还由于室温铜柱浸没入而引起剧烈汽化,M迅速减小的过程;cd段表示铜柱不再放热,液氮继续吸收空气中热量而M继续减小的过程;垂直线fg则表示在bc段中仅考虑铜柱释放热量而汽化的液氮质量mN,即mN=mf-mg。

铜柱在上述过程中所释放的热量可用混合法来测量。将浸没在液氮中并 [液氮比汽化热的测量] 与液氮同温度的铜柱取出,迅速放入一盛水的量热器中。若水和量热器的初温为?2,而铜柱与水混合后,两者温度开始达到相同的值为?3,则铜柱从液氮的温度升高到?3时吸收的热量为

(1)式中mw、cw分别为水的质量与比热容;ma、ca分别为量热器的内筒质量与比热容;mc、cc分别为搅拌器的质量与比热容;ht为温度计浸入水中的那部分的热容量。?3一般小于室温?1,所以如使铜柱温度再从?3上升到?1则尚需吸收热量Q2:

(2)式中cb为铜的比热容,它的数值随温度而改变,由于温差的数值较小,cb可近似视为恒值,而mb为铜柱的质量。

铜柱由温度?1降至液氮温度时释放的热量Q,应该等于它从液氮温度回升到?1时所吸收的热量:
   
即 所以,液氮的比汽化热为:

(3)玻璃水银温度计浸没入水中的那部分的热容量ht可由下述方法确定。玻璃水银温度计由玻璃和水银组成。在常温下,玻璃的比热容c玻=790J/(kg·℃),玻璃的密度?玻=2.5×103kg/m3;水银的比热容c汞=138J/(kg·℃),水银的密度?汞=13.6×103kg/m3。因此,1cm3玻璃的热容量为1.97J/(℃·cm3);而1cm3水银的热容量为1.88J/(℃·cm3)。由此可见,同体积的玻璃与水银,热容量大致相当,所以可取平均值1.92J/(℃·cm3)来进行计算。于是,玻璃水银温度计浸没部分的热容量为 [液氮比汽化热的测量]
ht=1.92VJ/℃
式中V为水银温度计浸没部分的体积,单位为cm3。

实验装置

实验装置如图2所示。它由电子天平、保温杯及软木塞、铜样品、量热器(关于量热器请阅实验4-13)、温度计等组成。自增压液氮罐

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