水的比汽化熱的測量誤差分析

柯莎+劉正強+張紅偉+耿永鵬+丁振

摘 要：以銀川能源學(xué)院基礎(chǔ)部熱學(xué)實驗室液體比汽化熱測量的實驗儀器為基礎(chǔ)，重點測量水的比汽化熱，分析了用該儀器該方法測量比汽化熱時誤差的主要來源，并針對誤差的來源，提出了簡便的改進措施。

關(guān)鍵詞：水；比汽化熱；誤差；改進

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.215

0 引言

水的比汽化熱的測量是大學(xué)物理熱學(xué)實驗室的一個重要實驗項目[1]，它對比汽化熱和凝結(jié)熱等熱學(xué)概念的理解，對理論和實踐的有機結(jié)合，對學(xué)生動手動腦及綜合能力的培養(yǎng)有一定的幫助和促進作用。從學(xué)生測量的數(shù)據(jù)來看，大部分學(xué)生所得到結(jié)果的誤差較大。本文主要利用混合法測量水的比汽化熱，分析了誤差產(chǎn)生的主要來源并提出了改進方法，力圖使學(xué)生在實驗的過程中注意誤差的來源，并有意地去減小誤差，以達到提高實驗教學(xué)效果的目的。

1 實驗原理及方法

我們利用混合法來測量水的比汽化熱。方法是將燒瓶中接近100℃的水蒸汽，通過短的玻璃管加接一段橡皮管（或乳膠管）插入到量熱器內(nèi)杯中。如果水和量熱器內(nèi)杯的初始溫度為θ1℃， 而質(zhì)量為M的水蒸汽進入量熱器的水中被凝結(jié)成水，當(dāng)水和量熱器內(nèi)杯溫度均衡時，其溫度值為θ2℃。[2.3]如果將系統(tǒng)看成是一個與外界沒有熱交換的孤立系統(tǒng)，那么Q放=Q吸，即：

ML+MC水（θ3-θ2）=（mC水+m1C鋁+m2C鋁）·（θ2-θ1）

從而

其中，m為原先在量熱器中水的質(zhì)量，m1和m2鋁量熱器和鋁攪拌器的質(zhì)量，L為水的比汽化熱。

2 實驗步驟

（1）集成測溫傳感器AD590的定標(biāo)。本實驗采用AD590型集成電路溫度傳感器測量溫度，其線性工作電壓：4.5V～20V，它的輸出電流I與溫度θ滿足如下的線性關(guān)系：I=Bθ+A

式中B稱為傳感器的溫度系數(shù)（或靈敏度），約為1μA/℃，即溫度升高（或降低）1℃，流過傳感器的電流就增加（或減?。﹍μA，A為傳感器在攝氏零度時的輸出電流，該值與0℃的熱力學(xué)溫度273 K相對應(yīng)（實驗使用時，可放在冰點溫度下進行確定）。利用上述特性，可以制成各種用途的溫度計。在通常實驗時，采取測量取樣電阻R上的電壓求得電流，F(xiàn)D-YBQR主機里與傳感器串聯(lián)的取樣阻為1000Ω±1%。

在制造時每個傳感器的B與A不可能完全相同，故實驗前，應(yīng)先對其定標(biāo)（即確定所用AD590的B和A）。實際定標(biāo)時常采用AD590的測溫探頭與精密溫度計對應(yīng)的方法。同時將其置入冷水、室溫、溫水、熱水等幾種環(huán)境中，分別記錄測溫探頭與精密溫度計的對應(yīng)值，最終根據(jù)逐差法求B和A。

（2）水的比汽化熱的測量結(jié)果。我們的對銀川能源學(xué)院自來水進行測量，其測量數(shù)據(jù)如表1；計算水的比汽化熱和測量的相對誤差，其數(shù)據(jù)如表2。

3 誤差分析及改進方法

由以上計算我們可以看出，目前在我們的實驗條件下，其測量誤差較大，誤差的來源主要有以下這幾個方面：（1）在實驗過程中，沒有考慮系統(tǒng)與外界熱交換產(chǎn)生的熱量損失，事實上，量熱器不可避免的要與外界進行熱交換，這是系統(tǒng)誤差的主要來源。為了減小該誤差，我們課題組的成員決定采用抵償法來減小系統(tǒng)誤差，通入水蒸汽前將采用冰水將水溫調(diào)低，使水的初溫比室溫低Δθ，通汽后當(dāng)水溫比室溫高約Δθ時停止通汽，這樣系統(tǒng)從外界吸收的熱量和向外界放出的熱量就可以盡可能地抵消；（2）水蒸氣通過蒸汽導(dǎo)管時有部分水蒸氣會凝結(jié)成水滴進入量熱器[4]，這也是產(chǎn)生誤差的主要來源。目前實驗室里采用橡皮管作為蒸汽導(dǎo)管， 橡皮管對水的潤濕性差， 水蒸汽和橡皮管的接觸面積大， 當(dāng)水蒸汽通過時容易形成不均勻的水滴。在實驗的過程中，我們力圖縮短橡皮管的長度，并在玻璃管和橡皮管的外邊加泡沫塑料作為保護層，這樣就可以使產(chǎn)生的水滴大大地減少了；（3）線性溫度傳感器定標(biāo)時我們采用水銀溫度計來測溫度， 水銀溫度計存在熱惰性大， 估讀困難等因素。同時，在定標(biāo)過程中都需要學(xué)生不斷地取放溫度計，并且要一直用手扶著溫度計來讀數(shù)，操作起來比較麻煩，有時會因為學(xué)生不小心而損壞溫度計的現(xiàn)象常常發(fā)生。操作繁瑣，不僅僅造成實驗器材的損壞，而且也容易使學(xué)生受到傷害。因此，我們決定對定標(biāo)過程進行設(shè)計改造，利用導(dǎo)熱系數(shù)實驗項目里的溫度傳感器來定標(biāo)，已達到方便快捷安全操作實驗的目的。

4 小結(jié)

我們在原有儀器的基礎(chǔ)上已進行了多次測量，計算出了水的比汽化熱，分析了實驗過程中可能產(chǎn)生的誤差及誤差的來源。我們針對誤差的來源和銀川能源學(xué)院現(xiàn)有的實驗儀器，提出了新的改進方案，使該實驗?zāi)苓_到滿意的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]張廣平.從水的汽化熱測定中培養(yǎng)學(xué)生的研究能力[J].隴東學(xué)院學(xué)報，2011，22（02）.

[2]周榮生.汽化熱實驗的誤差分析[J].徐州師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，19（03）.

陳駿逸，陸申龍.水的比汽化熱測量裝置的改進[J].大學(xué)物理，2004，23（01）.

[3]楊振萍.測定水的汽化熱實驗的改進[J].綿陽師專學(xué)報（自然科學(xué)版），1996，14（02）.

基金項目：銀川能源學(xué)院“本科教學(xué)工程”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2015-DCX-X-01）

作者簡介：柯莎（1985-），女，陜西漢中人，碩士，主要從事物理教學(xué)方面的工作和高溫超導(dǎo)方面的研究。