汽化熱實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

孫現(xiàn)亭， 姬鵬飛， 萬明理

(平頂山學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467002)

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汽化熱實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

孫現(xiàn)亭， 姬鵬飛， 萬明理

(平頂山學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467002)

摘要：設(shè)計(jì)并制作了一種新的測(cè)定汽化熱的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置采用了傳感器等現(xiàn)代科技手段制作而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、實(shí)驗(yàn)不確定度小等優(yōu)點(diǎn).

關(guān)鍵詞：汽化熱；實(shí)驗(yàn)裝置；電熱法

0引言

汽化熱實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理專業(yè)普通物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)[1-4]，它涉及力、熱、電等基本知識(shí)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)解決實(shí)際問題的能力有重要意義.關(guān)于水的汽化熱測(cè)量的研究也有相關(guān)報(bào)道[5-11].水的汽化熱的測(cè)量大部分采用電熱混合冷凝法.混合冷凝法在實(shí)驗(yàn)時(shí)將汽化了的水蒸氣通過導(dǎo)管輸入冷凝器中，蒸汽在冷凝器中凝結(jié)，測(cè)出冷凝水的質(zhì)量和冷凝過程中放出的熱量，就可以測(cè)出水的汽化熱，用這種方法測(cè)量水的汽化熱不僅設(shè)備復(fù)雜，操作也不方便，而且測(cè)量結(jié)果的不確定度也比較大.分析其原因主要有兩點(diǎn)：一是水蒸氣從蒸氣過濾器到冷凝器(即裝有一定質(zhì)量冷水的量熱器)傳輸過程中，由于傳輸管道較長(zhǎng)，受外界環(huán)境的影響，管道內(nèi)的溫度總是低于蒸汽過濾器的溫度，導(dǎo)致部分水蒸氣在傳輸過程中已經(jīng)冷凝成水珠，使得冷凝器中收集到的冷凝水有一部分沒有經(jīng)過冷凝過程，這是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的主要因素.二是冷凝器中的冷水受熱后溫度升高，也將汽化一部分.同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中為了使冷凝水溫度均勻，需要不停地?cái)嚢瑁@就不可避免地使一部分水濺出，這些因素也會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生誤差.這種方法測(cè)得結(jié)果的相對(duì)不確定度一般在10%左右.近年來，筆者采用電熱法設(shè)計(jì)了一種新的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定水的汽化熱.這種方法避免了混合冷凝法的缺陷，利用電熱法直接加熱汽化，測(cè)出汽化水的變化量及相應(yīng)的電功，即可算出水的汽化熱，提高了實(shí)驗(yàn)的精度.

1測(cè)量原理

物質(zhì)由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化的過程稱為汽化.單位質(zhì)量的水汽化為同溫度的蒸汽時(shí)所吸收的熱量叫做水的汽化熱.汽化熱與汽化時(shí)的溫度有關(guān)，水的汽化熱隨著溫度的升高而減小.本實(shí)驗(yàn)裝置可以測(cè)定水在沸騰時(shí)的汽化熱.

在保溫容器中加入適量的水，接通加熱電源，水沸騰時(shí)蒸汽從出氣口逸出，設(shè)在Δt時(shí)間內(nèi)有質(zhì)量為m的水汽化為同溫度的水蒸氣，需要吸收的熱量為

Q=mL，

(1)

其中L是水的汽化熱，單位是J·kg-1.

在Δt這段時(shí)間內(nèi)電源提供的電功

A=UIΔt，

(2)

如果不考慮熱量損失，則

Q=A，

(3)

即

mL=UIΔt，

由此可得

(4)

利用(4)式可以求出水的汽化熱.在實(shí)際測(cè)量中考慮熱量損失，則

Q=mL+qΔt，

(5)

其中q為散熱速率.

由于在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)周圍環(huán)境條件變化不大，q可看做常數(shù)，則(4)式變?yōu)?/p>

(6)

測(cè)量時(shí)為了消除散熱影響，可以改變電源電壓U、電流I和質(zhì)量m，則可得

m1L+qΔt1=U1I1Δt1,m2L+qΔt2=U2I2Δt2,

(7)

由(7)式可得汽化熱

(8)

其中Δt1是在U1、I1條件下汽化質(zhì)量m1的水所用的時(shí)間，Δt2是在U2、I2條件汽化質(zhì)量m2的水所用的時(shí)間.用(8)式可測(cè)得水的汽化熱.

2實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，該裝置的設(shè)計(jì)主要由兩部分構(gòu)成，一是電源部分，包括電壓及電流的測(cè)量；二是保溫系統(tǒng)和時(shí)間及質(zhì)量測(cè)量部分.

1.電源開關(guān)； 2.電壓調(diào)節(jié)；3.電流調(diào)節(jié)； 4.計(jì)停按鈕；5.時(shí)間清零；6.時(shí)間顯示；7.質(zhì)量清零；

8.電源按鈕；9.質(zhì)量顯示；10.保溫桶；11.絕熱塞；12.導(dǎo)氣管；13.電流顯示；14電壓顯示

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.1Sketch of experiment device

電源部分采用大功率直流穩(wěn)壓電源，電壓從0～30 V連續(xù)可調(diào)，電流從0～10 A連續(xù)可調(diào)，電壓和電流的測(cè)量均采用數(shù)字電表測(cè)量，可直接讀數(shù).

保溫系統(tǒng)主要采用雙層不銹鋼真空及隔熱層設(shè)計(jì)，加熱由電熱絲完成，質(zhì)量的測(cè)量采用傳感器和電子電路完成，時(shí)間的測(cè)量由電子停表完成.電子停表和質(zhì)量的測(cè)量采用聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，由計(jì)停開關(guān)完成，同時(shí)設(shè)置有清零開關(guān)，以便進(jìn)行重復(fù)測(cè)量.

3測(cè)量及結(jié)果

1)在保溫桶中裝入小半杯熱水，打開電源開關(guān)，通電加熱，調(diào)節(jié)好電壓和電流；

2)待水加熱至沸騰時(shí)，按下計(jì)停開關(guān)，開始計(jì)時(shí)和質(zhì)量測(cè)量，待一段時(shí)間后，再次按下計(jì)停開關(guān)，記下加熱時(shí)間和質(zhì)量大??；

3)按下清零鍵，把質(zhì)量和時(shí)間顯示清零；

4)改變電壓和電流大小，重復(fù)上述測(cè)量過程.

以上過程可重復(fù)多次.

把表1中的數(shù)據(jù)代入式(8)，計(jì)算得L=2.246 6×106J/kg,與標(biāo)準(zhǔn)值(L=2.255 2×106J/kg)相比，其相對(duì)不確定度為Ur=0.4%.

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)的不確定度小.同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè),為汽化熱的測(cè)量提供了一種新的實(shí)驗(yàn)手段.

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Experimental Device Design to Measure Heat Vaporization

SUN Xian-ting, JI Peng-fei, WAN Ming-li

(CollegeofElectricandInformationEngineering,PingdingshanInstitute,Pingdingshan467002,China)

Abstract:A new experimental device is designed and made to measure heat vaporization. Adopting some modern technological means such as sensors and so on, the device has the advantages of simplicity in structure, easy operation and small uncertainty.

Key words:vaporization heat; experiment apparatus; electric heating method

中圖分類號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-0834(2015)02-0071-03

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2015.02.019

作者簡(jiǎn)介：孫現(xiàn)亭(1966—)，男，河南葉縣人，平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院副教授，主要研究方向：物理學(xué).

收稿日期：2015-02-28