基于熱力學(xué)原理的自動調(diào)節(jié)水位裝置設(shè)計

蘇錫國，黃語嫣，徐赫駿

(沈陽建筑大學(xué)，遼寧沈陽 110168)

1 設(shè)計原理與設(shè)計圖

裝置主要利用氣體受熱膨脹受冷收縮原理。

圖1 原理圖

由理想氣體方程式:可知，瓶中氣體在物質(zhì)的量一定，體積一定的條件下，當(dāng)溫度升高時，瓶中壓強在溫度與瓶中蒸騰的水蒸氣共同作用下而增大。而當(dāng)瓶中氣壓增大到一定程度時，會將水持續(xù)壓入左側(cè)燒杯中。這一加熱過程中，由于溫度一直在升高，水能夠不斷地經(jīng)橡膠管流入燒杯。當(dāng)左側(cè)燒杯重量大于右側(cè)裝置重量時，根據(jù)杠桿原理，盛有左側(cè)燒杯的蝴蝶夾會在重力的作用下下沉，使右側(cè)球形燒瓶上升相應(yīng)高度，慢慢離開酒精燈火焰，而繼續(xù)的加熱會使右側(cè)球形燒瓶中的水全部壓入左側(cè)。待燒瓶離開熱源，右側(cè)燒瓶中溫度降低，在氣體體積收縮與水蒸氣液化的作用下，瓶內(nèi)壓強減小。從而右側(cè)壓強小于左側(cè)大氣壓以及克服左側(cè)水柱產(chǎn)生的壓強時，水就會被倒吸回來。當(dāng)右側(cè)燒瓶中的水達到一定質(zhì)量時，通過杠桿，右側(cè)蝴蝶夾再次由于重力的作用下下沉，使左側(cè)燒杯上升一定高度，使上面的導(dǎo)管形成一個角度，由于慣性，倒吸過程會持續(xù)到左側(cè)燒杯中的水全部倒吸回右側(cè)。

2 裝置實驗分析

2．1 實驗準備

用鐵架臺充當(dāng)中桿支架，右側(cè)用一個套在鐵架臺上的鐵圈固定裝有水的球形燒瓶，通過連接在鐵架臺上的簡易支架支撐由蝴蝶夾做成的杠桿，由蝴蝶夾連接燒杯，用橡膠管與玻璃管連接左右兩個容器，右側(cè)球形燒瓶用橡膠塞塞緊，在其中一端橡膠塞中放入溫度計且不能接觸到水面，并將橡膠管下面有細玻璃管的一段伸入水面下，將球形燒瓶用酒精燈加熱，適當(dāng)調(diào)整火焰距離和固定所用的鐵圈高度，待裝置組裝好后加熱酒精燈，開始實驗并記錄用水量和溫度及所用時間。

節(jié)省時間，所用水源為80毫升溫水。倒入水后，塞緊裝置，保證密閉不透氣。同時注意，要使細玻璃管伸入到球形瓶液面下，使橡膠管自然到達燒杯底部。

2．2 實驗數(shù)據(jù)分析

本次實驗共做出四組數(shù)據(jù)。

表1 水80 mL距離熱源近0 cm

圖2 時間-溫度曲線

通過圖2可以看出，隨著酒精燈的加熱，氣體溫度升高，當(dāng)溫度達到72℃時，右側(cè)燒瓶中的水全部流入左側(cè)燒杯中。隨之移出酒精燈，左側(cè)燒瓶中的水會立即倒吸回去。

表2 水80 mL距離熱源近0 cm

圖3 時間-溫度曲線

在改變水溫之后，我們用同樣80 mL的水進行試驗。由圖3可得，當(dāng)溫度達到73℃之后，水會倒吸回去。

表3 水80 mL距離熱源遠5 cm

圖4 時間-溫度曲線

在實驗中增溫的基礎(chǔ)上，改變了距離熱源距離。發(fā)現(xiàn)溫度的增長速率有所降低，最高點溫度也升高了一些(圖4)。

表4 水80 mL距離熱源遠5 cm

圖5 時間-溫度曲線

與實驗三(圖5)對比，當(dāng)和熱源保持一定距離時，水溫增大，會使溫度對時間的導(dǎo)數(shù)即溫度的變化率會減小，升溫過程會較之前緩慢。

3 結(jié) 論

(1)本裝置利用簡單的實驗儀器，基于熱力學(xué)原理，具有方便、實用、操作簡單等特點。整個過程自動進行，無需移開熱源，省時省力。

(2)本裝置也存在一些缺陷:由于儀器限制，酒精燈的加熱效率不高，延長了加熱時間及實驗時間。同時裝置對環(huán)境溫度依賴較高，需要控制一定的外界因素。

(3)進行的四組實驗反映出，水溫與距熱源距離對于裝置加熱效率的影響，為裝置的最有效應(yīng)用做出了一定貢獻。同時，通過圖像，可以直觀地反映出熱力學(xué)原理在本裝置中的應(yīng)用。

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