Excel繪制化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的二元合金相圖步冷曲線

李 鋒, 王 穎, 李洪仁

(沈陽大學(xué) 師范學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

“二元合金相圖”在冶金領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,也是物理化學(xué)課程中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[1-2].實(shí)驗(yàn)原理是基于熱分析法.熱分析法的依據(jù)是對(duì)于單組分或多組分體系,當(dāng)加熱體系于熔融狀態(tài)后,停止加熱,開始冷卻,若以溫度對(duì)時(shí)間作圖,即得步冷曲線.當(dāng)體系冷卻至某一組分發(fā)生相變(即由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài))時(shí),體系放出的相變潛熱,補(bǔ)償了體系向環(huán)境散失的熱量.因此,對(duì)于單組分體系,步冷曲線出現(xiàn)平臺(tái),對(duì)于二組分或二組分以上的體系,步冷曲線的斜率則發(fā)生改變而后出現(xiàn)平臺(tái).根據(jù)步冷曲線出現(xiàn)的拐點(diǎn)和平臺(tái),找出相應(yīng)的轉(zhuǎn)折溫度.步冷曲線的繪制是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)之一.由于實(shí)驗(yàn)本身耗時(shí)長,記錄數(shù)據(jù)多,采用人工坐標(biāo)紙繪圖工作量大,耗時(shí)長,而且不可避免地會(huì)引入人為誤差.利用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù),應(yīng)用特定的數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)處理步冷曲線,可以提高相圖繪制的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性,使學(xué)生能夠詳細(xì)、直觀看到步冷曲線的繪制過程[3-5].然而,在高校化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中,相關(guān)儀器的推廣和應(yīng)用尚不多見.Excel、Origin應(yīng)用程序在化學(xué)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用日趨廣泛,而且效果較好[6-8].但Origin軟件采用英文界面,不易初學(xué)者掌握.Excel軟件能夠便捷地對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算處理,而且學(xué)生容易掌握.要求學(xué)生利用Excel方面的知識(shí)進(jìn)行步冷曲線的繪制, 不但有利于學(xué)生進(jìn)一步掌握Excel 數(shù)據(jù)處理相關(guān)操作在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用, 而且有助于學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn),從而更好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)要求和目的,取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

通過讀數(shù)采集時(shí)間和溫度數(shù)據(jù),建立Excel表格,如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

在實(shí)驗(yàn)日期后的空格內(nèi)鍵入函數(shù):“=NOW( )”.在實(shí)驗(yàn)打印時(shí)會(huì)自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)的日期和時(shí)間.實(shí)驗(yàn)學(xué)生和實(shí)驗(yàn)教師后的空格根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際填寫.

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 單條步冷曲線繪制

打開表1數(shù)據(jù)表格,選擇純錫下的時(shí)間和溫度數(shù)據(jù),點(diǎn)擊圖表向?qū)?選擇XY框.

選擇如圖1所示類型,點(diǎn)擊完成,生成圖形如圖2所示.

圖1 圖表向?qū)ig.1 The chart wizard

圖2 繪成步冷曲線Fig.2 The plotted cooling curve

清除圖2中的網(wǎng)格和背景,調(diào)整坐標(biāo)軸數(shù)值并添加坐標(biāo)名稱和圖名.右鍵點(diǎn)擊坐標(biāo)軸-刻度,改時(shí)間軸最大值為40,溫度軸最小值130.添加注釋“純錫步冷曲線”,修改后曲線如圖3所示.

圖3 純錫步冷曲線Fig.3 Cooling curve pure Sn

2.2 多條步冷曲線的插入

右鍵點(diǎn)擊圖3,選擇源數(shù)據(jù)-系列-添加,出現(xiàn)系列2,如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)源對(duì)話框Fig.4 Dialog box of data source

系列1名稱填寫純錫;系列2名稱填寫20%錫,在X、Y數(shù)據(jù)選擇處選擇對(duì)應(yīng)20%錫的時(shí)間和溫度,點(diǎn)擊確定,得到兩條錫含量配比不同的步冷曲線,如圖5所示.

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)錫的步冷曲線Fig.5 Cooling curve with different mass fraction of Sn

同樣方法添加插入其他步冷曲線如圖6所示.

圖6 調(diào)整前的錫鉛步冷曲線Fig.6 The Sn-Pb cooling curve before adjustment

至此,步冷曲線完成繪制,但曲線堆積在一起,不易分辨.為此,要對(duì)曲線進(jìn)一步調(diào)整,使其相互分離.

3 步冷曲線的調(diào)整

步冷曲線聚集在一起的原因是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間起點(diǎn)均為1min,時(shí)間坐標(biāo)重疊.步冷曲線的時(shí)間坐標(biāo)起點(diǎn)沒有實(shí)際意義,調(diào)整時(shí)間坐標(biāo)起點(diǎn),時(shí)間間隔不變,不影響曲線的構(gòu)型和拐點(diǎn).將20%錫的時(shí)間坐標(biāo)起點(diǎn)修改為15 min,時(shí)間間隔保持1 min不變.同理,40%、60%、80%錫時(shí)間起點(diǎn)分別修改為30、45、60 min,純鉛時(shí)間起點(diǎn)修改為75 min,時(shí)間間隔均保持原來的1 min不變,修改時(shí)間起點(diǎn)后曲線實(shí)現(xiàn)完全分離.右鍵點(diǎn)擊X軸,選擇刻度,將最大值修改為120,生成的步冷曲線如圖7所示.

圖7 調(diào)整后的錫鉛步冷曲線Fig.7 The Sn-Pb cooling curve after adjustment

4 教學(xué)應(yīng)用及效果分析

基于Excel平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)二元金屬相圖的自動(dòng)化繪制,操作簡便、效果理想,實(shí)際教學(xué)過程中深受學(xué)生認(rèn)可.其在如下方面取得了良好的教學(xué)效果.

4.1 提高了數(shù)據(jù)處理精度

利用坐標(biāo)紙手工描點(diǎn)繪制步冷曲線,人為誤差較大,基于Excel繪制曲線,可以減少數(shù)據(jù)描點(diǎn)誤差,一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)精度.

4.2 提高了課時(shí)利用率

由于手工繪制步冷曲線描點(diǎn)較多,誤差較大,繪圖過程中時(shí)常出現(xiàn)返工現(xiàn)象,在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)數(shù)內(nèi)一般做5個(gè)樣品的步冷曲線,學(xué)生無法在規(guī)定的教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成曲線的繪制,大量的數(shù)據(jù)處理需要利用課余時(shí)間完成.基于Excel繪制步冷曲線,學(xué)生在采集完實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后可以很快的完成曲線繪制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)所采集的數(shù)據(jù)存在的問題.利用Excel繪制步冷曲線使得所有的實(shí)驗(yàn)工作都可以課堂完成,實(shí)驗(yàn)效果得到加強(qiáng), 繪制的相圖質(zhì)量也得到極大提高.

4.3 增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

基于Excel繪制步冷曲線最大的特色在于學(xué)生可快速完成步冷曲線的繪制,獲得樣品發(fā)生相變的相關(guān)信息.這樣學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的重心發(fā)生了改變,由原來的繁重的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為主變?yōu)橛^察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和思考問題為主,迎合了當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)心理,大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.

5 結(jié) 論

基于Excel繪制二元金屬相圖步冷曲線,方便直觀、速度快.計(jì)算機(jī)不需要安裝額外的軟件即可完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,所繪制的步冷曲線清晰、注釋明了、曲線美觀,更好的反映了實(shí)驗(yàn)原理,只要稍加輔導(dǎo)學(xué)生即可掌握,有利于提高學(xué)生的應(yīng)用能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

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