1、实验四 燃烧热的测定摘要：本实验先用氧弹测定了苯甲酸的燃烧热，通过其标定了氧弹卡计的热容，再通过测定萘完全燃烧时的恒容燃烧热来计算出萘的恒压燃烧热，并且学会了雷诺图解法，用其校正了温度变化，最终得到实验结果。关键词：燃烧热 氧弹卡计 萘 雷诺图 热力学第一定律 苯甲酸 温度 abstract This experiment with oxygen bomb first were burning hot of benzoic acid, through its calibration the oxygen bomb card millions of heat capacity, again th
2、rough the determination of naphthalene complete combustion constant let burning hot to calculate the constant pressure combustion were hot, and learned to Renault graphic method, with its adjustment for temperature changes, and ultimately the result of the experiment. Burning hot Oxygen bomb card pr
3、ogram naphthalene Renault figure Thermodynamics the first laws Benzoic acid temperature 前言：一、实验原理燃烧热的定义是：一摩尔的物质完全燃烧时所放出的热量。所谓完全燃烧，即组成反应物的各元素,在经过燃烧反应后，必须呈显本元素的最高化合价。如 C 经燃烧反应后，变成 CO,不能认为是完全燃烧。只有在变成 CO2 时,方可认为是完全燃烧。同时还必须指出，反应物和生成物在指定的温度下都属于标准态。如苯甲酸在 298.15K 时的燃烧反应过程为：C6H5COOH(固)+ O2(气)=7CO 2(气)+3H 2O(
4、液)15由热力学第一定律，恒容过程的热效应 QV，即 U。恒压过程的热效应 QP，即 H。它们之间的相互关系如下：QP=QV+n(RT) （11）或 H=U+n(RT) （12）其中n 为反前后气态物质的物质的量之差。R 为气体常数。T 为反应的绝对温度。本实验通过测定萘完全燃烧时的恒容燃烧热，然后再计算出萘的恒压燃烧 H。在计算萘的恒压燃烧热时，应注意其数值的大小与实验的温度有关，其关系式为： （13）HTCPr式中的 rCP 是反应前后的恒压热容之差,它是温度的函数。一般说来，反应的热效应随温度的变化不是很大，在较小的温度范围内,我们可以认为它是一常数。热是一个很难测定的物理量，热量的传递
5、往往表现为温度的改变。而温度却很容易测量。如果有一种仪器，已知它每升高一度所需的热量，那么，我们就可在这种仪器中进行燃烧反应，只要观察到所升高的温度就可知燃烧放出的热量。根据这一热量我们便可求出物质的燃烧热。在实验中我们所用的恒温氧弹量热计(恒温氧弹卡计)就是这样一种仪器。为了测得恒容燃烧热，我们将反应置于一个恒容的氧弹中，为了燃烧完全，在氧弹内充入 20 个左右大气压的纯氧。这一装置的构造将在下面做详细介绍。为了确定量热卡计每升高一度所需要的热量，也就是量热计的热容，可用通电加热法或标准物质法。本实验用标准物质法来测量量热卡计的热容即确定仪器的水当量。这里所说的标准物质为苯甲酸，其恒容燃烧时
6、放出的热量为 26460 Jg-1。实验中将苯甲酸压片准确称量并扣除 Cu-Ni 合金丝的质量后与该数值的乘积即为所用苯甲酸完全燃烧放出的热量。Cu-Ni 合金丝燃烧时放出的热量及实验所用 O2 气中带有的 N2 气燃烧生成氮氧化物溶于水，所放出的热量的总和一并传给卡计使其温度升高。根据能量守恒原理，物质燃烧放出的热量全部被氧弹及周围的介质(本实验为 3000 毫升水) 等所吸收，得到温度的变化为 T，所以氧弹卡计的热容为：C 卡 （14）QTmlVV958.式中：m 为苯甲酸的质量(准确到 110-5 克) l 为燃烧掉的 Cu-Ni 合金丝的长度 (cm)2.9 为每厘米 Cu-Ni 合金
7、丝燃烧放出的热量单位（Jcm -1）V 为滴定燃烧后氧弹内的洗涤液所用的 0.1moldm-3 的 NaOH 溶液的体积5.98 为消耗 1mL0.1 moldm-3 的 NaOH 所相当的热量(单位为 J)。由于此项结果对QV 的影响甚微，所以常省去不做。确定了仪器( 含 3000mL 水) 热容，我们便可根据公式（14）求出欲测物质的恒容燃烧热 QV，即：QV(待测) =(C 卡 T-2.9l)/m(待测物质的质量) M （15）然后根据公式（11）求得该物质的恒压燃烧热 QP，即H。二、用雷诺作图法校正T尽管在仪器上进行了各种改进，但在实验过程中仍不可避免环境与体系间的热量传递。这种传递
8、使得我们不能准确地由温差测定仪上读出由于燃烧反应所引起的温升 T。而用雷诺作图法进行温度校正，能较好地解决这一问题。将燃烧前后所观察到的水温对时间作图，可联成 FHIDG 折线，如图 2-1 和图 2-2 所示。图 21 中 H 相当于开始燃烧之点。D 为观察到的最高温度。在温度为室温处作平行于时间轴的 JI 线。它交折线 FHIDG 于 I 点。过 I 点作垂直于时间轴的 ab 线。然后将 FH 线外延交 ab 线于 A 点。将 GD 线外延,交 ab 线于 C 点。则 AC 两点间的距离即为T。图中AA为开始燃烧到温度升至室温这一段时间t 1 内，由环境辐射进来以及搅拌所引进的能量而造成量
9、热计的温度升高。它应予以扣除之。CC为温度由室温升高到最高点 D 这一段时间t 2 内，量热计向环境辐射而造成本身温度的降低。它应予以补偿之。因此 AC 可较客观的反应出由于燃烧反应所引起量热计的温升。在某些情况下，量热计的绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器的功率较大，不断引进能量使得曲线不出现极高温度点，如图 2-2，校正方法相似。图 2-1 绝热较差时的雷诺校正图 图 2-2 绝热良好时的雷诺校正图必须注意，应用这种作图法进行校正时，卡计的温度与外界环境的温度不宜相差太大(最好不超过 2-3) ，否则会引入大的误差。三、仪器和药品氧弹量热计 1 套 氧气减压器 1 个 万用表 1 个容量瓶(
10、1000mL 1 只，2000mL 1 只) 浸油粉末压片(机天津市科器高新技术公司 769YP-15A 型) 1 台 温差测定仪(燃烧热数据采集接口装置 ,南京大学应用物理研究所监制,南大万和 BH-II S型) 1 台 粗称天平（台秤） Sartorius BP310P分析天平 Sartorius CPA224S氧气钢瓶(需大于 80Kg 压力)Cu-Ni 合金丝 若干 苯甲酸(分析纯) 萘(分析纯)四、装置简介图 4-1 是实验室所用的氧弹量热计的整体装配图，图 4-2 是用来测量恒容燃烧的氧弹结构图。下面分别作以介绍：图 4-1 氧弹卡计安装示意图 图 4-2 氧弹的构造图 4-1 中
11、，内筒 C 以内的部分为仪器的主体，即为本实验研究的体系，体系 C 与外界以空气层 B 绝热，下方有绝缘的垫片 4 架起，上方有绝热胶板 5 敷盖。为了减少对流和蒸发，减少热辐射及控制环境温度恒定，体系外围包有温度与体系相近的水套 A。为了使体系温度很快达到均匀，还装有搅拌器 2，由马达 6 带动。为了准确测量温度的变化，我们由精密的温差测定仪来实现。实验中把温差测定仪的热敏探头插入研究体系内，便可直接准确读出反应过程中每一时刻体系温度的相对值。样品燃烧的点火由一拨动开关接入一可调变压器来实现，设定电压在 24V 进行点火燃烧。图 4-2 是氧弹的构造。氧弹是用不锈钢制成的，主要部分有厚壁圆筒
12、 1、弹盖 2 和螺帽 3 紧密相连；在弹盖 2 上装有用来充入氧气的进气孔 4、排气孔 5 和电极 6，电极直通弹体内部，同时做为燃烧皿 7 的支架；为了将火焰反射向下而使弹体温度均匀，在另一电极 8(同时也是进气管)的上方还有火焰遮板 9。实验部分：1、实验步骤1、量热计水当量的测定(求 C 卡 )(1) 样品压片：压片前先检查压片用钢模是否干净，否则应进行清洗并使其干燥，用台秤称 0.8g 苯甲酸，并用直尺准确量取长度为 15cm 左右的细 Cu-Ni 合金丝一根，准确称量并把其双折后在中间位置打环，置于压片机的底板压模上，装入压片机内，倒入预先粗称的苯甲酸样品，使样品粉末将合金丝环浸埋
13、，用压片机螺杆徐徐旋紧，稍用力使样品压牢(注意用力均匀适中，压力太大易使合金丝压断，压力太小样品疏松，不易燃烧完全) ，抽去模底的托板后，继续向下压，用干净滤纸接住样品，弹去周围的粉末，将样品置于称量瓶中，在分析天平上用减量法准确称量后供燃烧使用。(2) 装置氧弹：拧开氧弹盖，将氧弹内壁擦干净，特别是电极下端的不锈钢接线柱更应擦干净。在氧弹中加 1 毫升蒸馏水。将样品片上的合金丝小心地绑牢于氧弹中两根电极8 与 10 上( 见图 4-2 氧弹剖面图) 。旋紧氧弹盖，用万用电表检查两电极是否通路。若通路，则旋紧出气口 5 后即可充氧气。按图 1-1 所示，连接氧气钢瓶和氧气表，并图 1-1 氧弹
14、充气示意图将氧气表头的导管与氧弹的进气管接通，此时减压阀门 2 应逆时针旋松(即关紧) ，打开氧气钢瓶上端氧气出口阀门 1（总阀）观察表一的指示是否符合要求（至少在 4MPa） ，然后缓缓旋紧减压阀门 2(即渐渐打开 )，使表 2 指针指在表压 2MPa，氧气充入氧弹中。1-2min后旋松(即关闭)减压阀门 2，关闭阀门 1，再松开导气管，氧弹已充入约 2MPa 的氧气，可供燃烧之用。但是阀门 2 至阀门 1 之间尚有余气，因此要旋紧减压阀门 2 以放掉余气，再旋松阀门 2，使钢瓶和氧气表头复原。2、燃烧和测量温差：按图将氧弹卡计及内筒，搅拌器装配好。(1) 用 1/10 的水银温度计准确测量
15、量热计恒温水套 A（外套）的实际温度。(2) 打开温差测定仪，让其预热，并将测温探头插入外套测温口中。(3) 在水盆中放入自来水（约 4000mL） ，用 1/10 的水银温度计测量水盆里的自来水温度，用加冰或加热水的方法调节水温低于外套温度 1.01.1。(4) 把充好氧气的氧弹放入已事先擦洗干净的内筒 C 中。用容量瓶准确量取 3000ml 已调好温度的水，置于内筒 C 中。(5) 检查点火开关是否置于“关”的位置，插上点火电极，盖上绝热胶木板。(6) 开启搅拌马达，调节温差测定仪设定旋纽，使温差测定仪上指示为 1.000，此时对应的实际温度为外套温度。(7) 迅速把测温探头置于内筒 C
16、上端的测温口中，观察温差测定仪的读数，一般应在0.000-0.500 之间（太低或太高都要重新调节水温，以保证外套水温在燃烧升温曲线的中间位置） 。报时器每半分钟响一次，响时即记录温差测定仪上温度的读数，至少读 5-10min。(8) 插好点火电源，将点火开关置于“开”的位置并立即拨回“关”的位置。在几十秒内温差测定仪的读数骤然升高，继续读取读数，直至读数平稳（约 25 个数，每半分钟一次。如果在 1-2 分钟内，温差测定仪的读数没有太大的变化，表示样品没有燃烧，这时应仔细检查，请教老师后再进行处理） 。停止记录，拔掉点火电源。取出氧弹，打开放气阀，排出废气，旋开氧弹盖，观察燃烧是否完全，如有
17、黑色残渣，则证明燃烧不完全,实验需重新进行。如燃烧完全，量取剩余的铁丝长度，根据公式（14）计算 C 卡 的值。如需精确测量，还需在装置氧弹时加 1mL 蒸馏水于氧弹内，燃烧后将弹体用蒸馏水清洗，用 0.1 moldm-3NaOH 滴定之。3、萘恒容燃烧热的测定：称取 0.6 克的萘，按上述操作步骤，压片、称重、燃烧等实验操作重复一次。测量萘的恒容燃烧热 QV，并根据公式（ 11）计算 QP，即为H，并与手册作比较,计算实验的相对误差。2、实验注意事项1、 压片时应将 Cu-Ni 合金丝压入片内。2、 氧弹充完氧后一定要检查确信其不漏气，并用万用表检查两极间是否通路。3、 将氧弹放入量热仪前，
18、一定要先检查点火控制键是否位于“关”的位置。点火结束后，应立即将其关上。4、 氧弹充氧的操作过程中，人应站在侧面，以免意外情况下弹盖或阀门向上冲出，发生危险。结果和讨论：一、数据处理1原始测量数据(样品质量为计算得)反应物 苯甲酸 萘样品和金属丝总质量（g ） 0.0193 0.0196样品质量（g） 0.8291 0.6238剩余金属丝质量（g ） 0.026 0.047Cu-Ni 合金丝密度： 0.9983 mgcm-1每厘米 Cu-Ni 合金丝完全燃烧放热： 2.9J/cm2温差测定仪读取数据(见附录)3原始数据作图及处理数据I、苯甲酸温差随时间的变化曲线0501015020250-1.
19、0-0.50.0.51.0T/ct/s一一将 FH 段线性拟合，并将图一中的 J 点（x=731.609195）代入到 FH 直线中，算出 A 点的数值（-0.78826）010203040506070-0.8-0.795-0.79-0.785-0.78Equationy =a +bWeightNo WeigRsidual Sm of quares4.2605E-Adj. R-Sq0.972ValueStandr BIntercpt-0.7951.0258ESlo2.1.736t/sT/c 一一将 DG 段线性拟合，并将图一中的 J 点（x=731.609195）代入到 DG 直线中，算出 C
20、 点的数值（0.71862）18019020210202300.6830.6840.6850.68 Equationy =a +b*xWeightNo WeightRsidual Sm of quares1.4891E-5Adj. R-Squ0.796ValueStandr EBIntercpt0.69737.4685-Slo-.81.793E-t/sT/c一一最终得到的雷诺校正图0501015020250-1.0-0.50.0.51.0FHGDJ(x=731.60915,y=0.)A(-0.7826)C(0.71862)T/ST/c 一一计算量热计热容由图知： ，CTA07826.CT071
21、862.所以 C 05.)(1Cu-Ni合金丝线密度： ；每厘米Cu-Ni 合金丝完全燃烧放热： cmg/93.0 cmJ/9.2所以单位质量 Cu-Ni 合金丝的燃烧热： gKcmgJHr /04./983.02燃烧的 Cu-Ni 合金丝质量： NiCu 9.165.燃烧的苯甲酸质量： ggm804.15.089.苯 甲 酸苯甲酸恒容燃烧热： kJQv/462所以氧弹量热卡计的热容为 ： KkJCgkJgkJgTHTQCNiCumrvp /0621.45068.139.0/942/.80. 苯 甲 酸II、萘温差随时间的变化曲线0501015020250-1.0-0.50.0.51.0T/c
22、t/s一一将 FH 段线性拟合，并将图一中的 J 点（x=667.241379）代入到 FH 直线中，算出 A 点的数值（-0.86394）0102030405060-0.875-0.87-0.865-0.86 Equationy =a +b*xWeightNo WeightiRsidual Sm of quares4.5096E-5Adj. R-Squa0.96704ValueStandr ErBIntercpt-0.87191.6537-4Slo2.3E3.428E-T/ct/s一一将 DG 段线性拟合，并将图一中的 J 点（x=667.241379）代入到 DG 直线中，算出 C 点的数
23、值（0.84457）15016017018019020210200.820.820.8240.8260.82Equationy =a +b*xWeightNo WeightiRsidual Sm of quares4.9635E-Adj. R-Squa0.9702ValueStandr ErBIntercpt0.845275.84157-4Slo-1.961E3.3E-T/ct/s一一最终得到的雷诺校正图0501015020250-1.0-0.50.0.51.0 GDHF A(-0.86394)C(0.8457)J(x=67.241379,y=0.)t/sT/c 一一计算萘的恒容燃烧热由图知：
24、 ,CTA086394.T08457.所以 CC 01.)639(燃烧的萘质量: ggm01.2.萘所以氧弹量热卡计的热容为： molkJolggKkJCMmCTQpv /42.5078/18.2604./1785.1 萘萘根据公式： ，)(RTnvp及反应方程式：C10 H8(s) + 12O2(g) 10CO2 (g)+ 4H2O(l) n=10-12=-2 且实验时外壳水温为 ，即 ,C03.17K98.0所以萘的恒压燃烧热为： molkJKmolJolmkJRTnQvp /58.0739.2314.2/4.58)( 1 4、误差计算考虑到体系是放热的，燃烧热应取： lkH/.5078查
25、文献得 1atm, 25C 萘的理论燃烧热值： oJm913所以计算相对误差为： %46.10/.5/42./9.13lkJlolx绝对误差为： molkJolkJHQm /8.75/.0785、不确定度计算由于实验数据指进行了一次测量，因而计算 B 类不确定度：量热计热容： 07.016.39015.3962/122/120 mCkklpp 42.5.89. 2/122/120 kkmpp 075.21.903672.1306/2/12 ApcpTCkkTmQCNiuvp9.根据不确定度传递公式 :2/1229.9. Tllvvp有 2/12/983.073./2905/648159.0.2
26、039./295/648159.00 075.4. cmggJgcmgJgpC.PKkJKkJp /731.052./062145C73.062.149P萘的恒容燃烧热： 056.0178.396015.3962/122/120 mCkklpp 42.56.62. 2/12/120 kkmpp 075.12.9038.9130/22/12 ApcpTCkkTMmQNiupv 905.根据不确定度传递公式 ： 2/1229.9. mTlClTCpppv 2/12/062.14785.2/062.14785. 04.047./731. KKkJKkJKkJ95P molmolkmolQv /3./
27、2.406./. 3lkJ/1340785395Pp.二、误差分析及结果可靠性的讨论从所得结果来看，实验值与标准值之间还是存在一定差距的，分析产生误差的原因， 有如下几点： 1、随机误差 理论上当实验次数达无穷多次时，随机误差会趋近于零，但如果测量次数有限，将会产生较大的偶然误差，本实验对苯甲酸和萘的燃烧实验分别只做了一次，因而会产生较大的随机误差；2、系统误差 系统并非是完全孤立的，氧弹卡计与大气是有接触的，并且由于热交换是不可避免的， 而且外套坏境也并非完全绝热，这会给实验带来一定的系统误差，通过雷诺图校正可减少这一误差；实验预期使反应前系统低于环境的温度值与反应后高出环境的温度值相等，但
28、实际上是很难做到这一点的，这也可能会有一定影响；3、燃烧物质本身性质 萘易升华，因此称量后应尽快放入氧弹中，但实际操作中难免会有所挥发，因而实际参加燃烧反应的萘的质量偏小，也会给实验结果带来误差； 4、其他因素反应前将Cu-Ni合金丝绕在电极上，结束后，有少量Cu-Ni合金丝断成细小片 断，难以收集，使测得的已燃烧Cu-Ni合金丝重量偏小； 往内筒中加水时，并非是准确的3000mL，因而会有一定影响，并且，在实验中，为使体系温度很快达到均匀，使用了搅拌器，搅拌器做功会产生一定热量，也会给实验带来一定误差。 综上几点原因，使得实验值与理论值之间有一定差距，即：实验存在一定的不确定度，使实验结果不是确切准确的。三、对实验的体会和认识实验中有效数字过少，对结果分析造成较大的波动，无法细致的比较精确度，而在数据处理过程中，发现实验结果对温差大小相当敏感，因而测量温差的精确度对实验结果的准确性有决定性影响。 通过本次实验，我对物质的恒温燃烧热与恒压燃烧热及其关系有了更深入的理解，并了解掌握了雷诺图校正的原理、方法及使用。 参考文献1、大学物理实验第一册 霍剑青等编 高等教育出版社，2005.112、物理化学实验讲义 中国科学技术大学，2005 年 3、物理化学（第五版上册），傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华编，南京大学化学化工学院，高等教育出版社，2005 年
