金属比热容的测定

作者: 时间:2016年11月30日 14:48 点击数:

比热容是物质物理性质的重要参量,在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要作用。

金属的比热容是单位质量金属的热容。金属由构成点阵的金属离子及大量自由电子组成。但是实验表明,金属的比热容只与金属离子的振动有关,与自由电子无关,只有在极低温度下才需考虑自由电子的贡献。经典的金属电子论不能解释这点,因为按经典理论,自由电子与金属离子处于热平衡状态,自由电子与金属离子一样,每个自由度均分到1/2kT的能量,温度改变时自由电子能量也要改变,因而对比热容应有贡献。按量子理论,金属中的自由电子不同于经典气体,首先,电子能量不能连续取值,只能占据离散能级,根据泡利不相容原理,每个能级最多只能容纳自旋相反的两个电子;其次,电子按能量的分布不遵守经典的麦克斯韦-玻耳兹曼分布,而是遵守费米-狄拉克统计分布。T≠0时,在任何温度下只有靠近费米能级(E≈EF)的电子才有可能热激发到较高的空能级。较低能级上的电子要激发到空能级需要很大的能量,在常温下不可能实现(E远大于热运动能kT),因而对比热容无贡献。在极低温度下,金属离子对比热容的贡献很小(见固体比热容),自由电子的热激发造成的比热容就不能忽略。1928年A.索末菲根据费米-狄拉克统计计算了自由电子对比热容的贡献  ,得出了符合实际的结果。

测定物质的比热容可归结为,测量一定质量的该物质降低一定温度后所放出的热量。测量热量通常使用的仪器有:利用水的温度升高来测量热量的水量热器和利用冰的溶解来测热量的冰量热器。一般来说,它们比较适用于测定固体物质(如金属)的比热容。


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