液氮比汽化熱的測量

液氮比汽化熱的測量：液化氮氣（簡稱液氮）的沸點約為－196℃（77K），它是現代實驗室中獲得低溫的最常用的一種制冷劑。本實驗測量在1個大氣壓下液氮處于沸點溫度時的比汽化熱。物質的比汽化熱是該物質汽化時所需吸熱大小的量度。它是物質的主要熱學特性之一。因液氮汽化較快，實驗時應采用動態法稱衡，并須校正由于與外界熱交換引起的誤差等。本實驗要求掌握電子天平、量熱器等使用方法，并學習安全使用液氮的方法。自增壓液氮罐

實驗原理

物質由液態向氣態轉化的過程稱為汽化。在一定壓強下（如1個大氣壓）、保持溫度不變時，單位質量的液體轉化為氣體所需吸收的熱量，稱為該物質的比汽化熱L，即。當然，它也等于單位質量的該氣態物質轉化為同溫度液體時所放出的熱量。

比汽化熱值與汽化時溫度有關，如溫度升高，則比汽化熱減小。水在100℃時的比汽化熱為129×103J/Kg，而在5℃時為136×103J/Kg。這是因為隨著溫度升高，液相與汽相之間的差別逐漸減小的緣故。

在盛有一定質量液氮的保溫杯瓶塞上開個小孔，則瓶內液氮將由于吸收周圍大氣中的熱量而不斷汽化為氮氣。可以用天平稱出單位時間內汽化的液氮量。接著，將已知質量、而溫度為室溫?1的小銅柱從孔中放入液氮中。由于1個大氣壓下液氮的沸點很低（為77.4Κ），因此，銅柱立即向液氮放熱，從而使液氮汽化過程大大加快。直至銅柱溫度和液氮溫度相等時，它們之間的熱交換才停止。用天平稱出盛有液氮的保溫杯及銅柱的總質量M，則M隨時間t的變化情況如圖1所示。圖中ab段為液氮吸收空氣中的熱量，部分汽化而質量M減小的過程；bc段為液氮除吸收空氣中的熱量外，還由于室溫銅柱浸沒入而引起劇烈汽化，M迅速減小的過程；cd段表示銅柱不再放熱，液氮繼續吸收空氣中熱量而M繼續減小的過程；垂直線fg則表示在bc段中僅考慮銅柱釋放熱量而汽化的液氮質量mN，即mN=mf－mg。

銅柱在上述過程中所釋放的熱量可用混合法來測量。將浸沒在液氮中并 [液氮比汽化熱的測量] 與液氮同溫度的銅柱取出，迅速放入一盛水的量熱器中。若水和量熱器的初溫為?2，而銅柱與水混合后，兩者溫度開始達到相同的值為?3，則銅柱從液氮的溫度升高到?3時吸收的熱量為

（1）式中mw、cw分別為水的質量與比熱容；ma、ca分別為量熱器的內筒質量與比熱容；mc、cc分別為攪拌器的質量與比熱容；ht為溫度計浸入水中的那部分的熱容量。?3一般小于室溫?1，所以如使銅柱溫度再從?3上升到?1則尚需吸收熱量Q2：

（2）式中cb為銅的比熱容，它的數值隨溫度而改變，由于溫差的數值較小，cb可近似視為恒值，而mb為銅柱的質量。

銅柱由溫度?1降至液氮溫度時釋放的熱量Q，應該等于它從液氮溫度回升到?1時所吸收的熱量：
　　　
即 所以，液氮的比汽化熱為：

（3）玻璃水銀溫度計浸沒入水中的那部分的熱容量ht可由下述方法確定。玻璃水銀溫度計由玻璃和水銀組成。在常溫下，玻璃的比熱容c玻=790J/(kg·℃)，玻璃的密度?玻=2.5×103kg/m3；水銀的比熱容c汞=138J/(kg·℃)，水銀的密度?汞=13.6×103kg/m3。因此，1cm3玻璃的熱容量為1.97J/(℃·cm3)；而1cm3水銀的熱容量為1.88J/(℃·cm3)。由此可見，同體積的玻璃與水銀，熱容量大致相當，所以可取平均值1.92J/(℃·cm3)來進行計算。于是，玻璃水銀溫度計浸沒部分的熱容量為 [液氮比汽化熱的測量]
ht=1.92VJ/℃
式中V為水銀溫度計浸沒部分的體積，單位為cm3。

實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。它由電子天平、保溫杯及軟木塞、銅樣品、量熱器（關于量熱器請閱實驗4－13）、溫度計等組成。自增壓液氮罐