Question

为了测定某种合金材料制成的球形工件的比热容，可以先将工件均匀加热到不同温度，然后将其置于0℃的大冰块上，分别测出工件陷入冰中的深度h，如图所示．己知：当工件初始温度分别为t₁=75℃和t₂=100℃时，对应工件陷入冰中的深度分别为h₁=13.6cm，h₂=16.7cm，球的体积V_球=

4

3

πr³，工件的密度约为冰的3倍．设实验过程中环境温度恒为0℃，不计热量损失．冰的熔解热λ=3.34×10⁵J/kg．试求该材料的比热容C．

Answer 1

分析：（1）设工件的半径为r，则V=

4

3

πr³，截面积为：S=πr²，
那么第一次熔化了的冰的体积为V₁=S（13.6cm-r）+

2

3

πr³，第二次熔化了的冰的体积为V₂=S（16.7cm-r）+

2

3

πr³，
求出熔化了冰的体积差，再利用密度公式求熔化了冰的质量差，可求两次冰吸收的热量差．
这个热量差应该等于两次工件放热的差，列方程求解．
（2）根据第一次热平衡，列出方程cm_球△t₁=πr2（h₁-r）+

2

3

πr³
根据第二次热平衡，列出方程cm_球△t₂=πr²（h₂-r）+

2

3

πr³，可求r大小，代入（1）中c的表达式得解．

解答：解：
设工件的半径为r
则V=

4

3

πr³，截面积为：S=πr²，
那么第一次熔化了的冰的体积为：
V₁=S（13.6cm-r）+

2

3

πr³，
第二次熔化了的冰的体积为：
V₂=S（16.7cm-r）+

2

3

πr³，
熔化了冰的体积差为：△V=V₂-V₁=πr²（16.7cm-r）+

2

3

πr³-πr²（13.6cm-r）-

2

3

πr³=3.1cm×πr²；
熔化了冰的质量差：
△m=ρ_冰×3.1cm×πr²；
两次冰吸收的热量差为：
△Q_吸=λ×ρ_冰×3.1cm×πr²=3.34×10⁵J/kg×ρ_冰×3.1cm×πr²．
这个热量差应该等于两次工件放热的差：
△Q_放=c×3ρ_冰V_工件（100℃-0℃）-c×3ρ_冰V_工件（75℃-0℃）=c×3ρ_冰×

4

3

πr³（100℃-0℃）-c×3ρ_冰

4

3

πr³（75℃-0℃）=c×3ρ_冰×

4

3

πr³×25℃．
由题知，△Q_吸=△Q_放，
即：3.34×10⁵J/kg×ρ_冰×3.1cm×πr²=c×3ρ_冰×

4

3

πr³×25℃-----③；
根据第一次热平衡，列出方程：
cm_球△t₁=πr2（h₁-r）+

2

3

πr³----①
根据第二次热平衡，列出方程：
cm_球△t₂=πr²（h₂-r）+

2

3

πr³------②
②×3-①×4，化简并得到：
r=12h₁-9h₂=12×13.6cm-9×16.7cm=12.9cm；
代入③得：
c≈802J/（kg?℃）．
答：该材料的比热容为802J/（kg?℃）．

点评：本题考查了学生对吸热公式、晶体熔化放热公式、密度公式的掌握和运用，过程较复杂，要细心！