水的比汽化熱的測(cè)量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

柯莎　吳建奇　耿永鵬

摘 要：以銀川能源學(xué)院基礎(chǔ)部熱學(xué)實(shí)驗(yàn)室液體比汽化熱測(cè)量和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定這兩套實(shí)驗(yàn)儀器為基礎(chǔ)，對(duì)比汽化熱的測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了簡(jiǎn)便的改進(jìn)，并測(cè)量了銀川能源學(xué)院自來(lái)水的比汽化熱，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之后的測(cè)量值與公認(rèn)值十分接近，相對(duì)誤差較小，達(dá)到了滿(mǎn)意的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：水；比汽化熱；誤差；改進(jìn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.229

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

單位質(zhì)量的液體在溫度保持不變的情況下轉(zhuǎn)化為氣體時(shí)所吸收的熱量稱(chēng)為該液體的比汽化熱。物質(zhì)由氣態(tài)凝結(jié)為液態(tài)時(shí)將釋放出在同一條件下汽化所吸收的相同的熱量。因而可以通過(guò)測(cè)量凝結(jié)時(shí)放出的熱量來(lái)測(cè)量液體汽化時(shí)的比汽化熱[1]。

液體比汽化熱的測(cè)量方法一般分為電熱法和混合法兩類(lèi)。銀川能源學(xué)院基礎(chǔ)部物理實(shí)驗(yàn)中心有熱學(xué)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室有用混合法測(cè)量液體比汽化熱的實(shí)驗(yàn)儀器。方法是將燒瓶中接近100℃的水蒸汽，通過(guò)短的玻璃管加接一段很短的橡皮管（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℃， 而質(zhì)量為M的水蒸汽進(jìn)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(shí)，其溫度值為℃。如果將系統(tǒng)看成是一個(gè)與外界沒(méi)有熱交換的孤立系統(tǒng)，那么，即：

從而

其中，為原先在量熱器中水的質(zhì)量，和鋁量熱器和鋁攪拌器的質(zhì)量，為水的比汽化熱。該公式是不考慮系統(tǒng)與外界熱交換產(chǎn)生熱量損失時(shí)的結(jié)論，實(shí)驗(yàn)上只要有溫差存在，就會(huì)有熱損失，因而存在系統(tǒng)誤差。改進(jìn)后我們采用抵償法減小該統(tǒng)誤差[2]，使系統(tǒng)從外界吸收的熱量和向外界放出的熱量能盡可能抵消。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 集成電路溫度傳感器AD590的定標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)采用AD590型集成電路溫度傳感器來(lái)測(cè)量溫度，它由多個(gè)參數(shù)相同的三極管和電阻組成，其線性工作電壓：4.5V～20V，它的輸出電流I與溫度滿(mǎn)足如下的線性關(guān)系：

式中B稱(chēng)為傳感器的靈敏度，約為，即溫度升高（或降低），流過(guò)傳感器的電流就增加（或減小）1，為傳感器在攝氏零度時(shí)的輸出電流，該值與的熱力學(xué)溫度273K相對(duì)應(yīng)。利用上述特性，可以制成各種用途的溫度計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采取測(cè)量取樣電阻R上的電壓求得電流，F(xiàn)D-YBQR主機(jī)里與傳感器串聯(lián)的取樣阻為[3]。

在制造時(shí)每個(gè)傳感器的B與A不可能完全相同，故實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先對(duì)其定標(biāo)（即確定AD590的B和A）。實(shí)際定標(biāo)時(shí)常采用AD590的測(cè)溫探頭與水銀溫度計(jì)對(duì)應(yīng)的方法，同時(shí)將其置入冷水、溫水、熱水等幾種不同的環(huán)境中，分別記錄測(cè)溫探頭與溫度計(jì)的對(duì)應(yīng)值，最終根據(jù)逐差法求B和A。在之前的文章中[2]我們已經(jīng)分析了使用水銀溫度計(jì)測(cè)溫的弊端，因此改進(jìn)后我們決定使用導(dǎo)熱系數(shù)里的溫度傳感器來(lái)測(cè)溫定標(biāo)，并且采用直線擬合的方法來(lái)確定B和A（見(jiàn)表1、圖1）。

由此可知，，，故。

2.2 水的比汽化熱的測(cè)量

（1）用物理天平稱(chēng)量熱器內(nèi)杯和攪拌器的質(zhì)量，分別記為m1和m2，并稱(chēng)量黃色塑料隔熱片的質(zhì)量為m3，令。然后在量熱內(nèi)杯中盛一定量的冰水，稱(chēng)其總質(zhì)量為，則水的質(zhì)量。

（2）在燒瓶?jī)?nèi)加一定量的水并放在電爐上，接通電源使盛水的燒瓶加熱，開(kāi)始加熱時(shí)將溫控電位器順時(shí)針調(diào)到底，并移去瓶蓋，使低于沸點(diǎn)的水蒸汽從瓶口排出。同時(shí)在玻璃管和橡皮管的外邊加厚度為2cm左右的泡沫塑料作為保溫層，將量熱器內(nèi)杯放入量熱器內(nèi)，蓋上量熱器蓋，插入溫度傳感器和橡皮管，使它們深入水中約1cm深，并在量熱器下邊墊木塊以縮短通氣管的距離，組裝好實(shí)驗(yàn)儀器等待燒瓶中的水沸騰。

（3）當(dāng)燒瓶中的水沸騰時(shí)調(diào)節(jié)溫控電位器，保證水蒸氣輸入量熱器的速率符合要求，并記錄測(cè)溫儀電壓示數(shù)，計(jì)算出水的初溫，及室溫與初溫的溫差。

（4）蓋上燒瓶瓶蓋，讓水蒸汽通入到量熱內(nèi)杯中，同時(shí)不斷攪拌杯內(nèi)的水。整個(gè)過(guò)程中要控制好通汽時(shí)間，當(dāng)量熱器中水的末溫比室溫高停止通汽，這樣才可以抵消量熱器與外界的熱交換。

（5）停止電爐通電，打開(kāi)瓶塞不再向量熱器內(nèi)杯中通汽，移開(kāi)量熱器繼續(xù)并攪拌量熱杯內(nèi)的水，讀出穩(wěn)定時(shí)測(cè)溫儀的電壓，計(jì)算出水的末溫。

（6）稱(chēng)量通汽之后的量熱杯、攪拌器、隔熱片及水的總質(zhì)量，則水蒸汽的質(zhì)量為，并計(jì)算出水的比汽化熱L。

由表3的數(shù)據(jù)可以看出，在通氣管的外邊加保溫層并縮短通氣管的距離、同時(shí)采用抵償法等措施，可以很好的消除誤差，測(cè)量值與公認(rèn)值非常接近，相對(duì)誤差很小，達(dá)到了滿(mǎn)意的效果。另外，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是要控制好通汽后末態(tài)的溫度，使通汽后水的末溫比室溫高約，整個(gè)通汽過(guò)程時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，大概1分鐘左右為宜。

3 小結(jié)

本文對(duì)溫度傳感器AD590進(jìn)行了定標(biāo)，定標(biāo)時(shí)采用導(dǎo)熱系數(shù)里的傳感器來(lái)測(cè)溫度，與之前的水銀溫度計(jì)相比，有許多優(yōu)點(diǎn)——測(cè)量過(guò)程方便快捷，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等，同時(shí)利用excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，找到A和B的數(shù)值，相對(duì)于之前的逐差法處理數(shù)據(jù)而言，直線擬合更加準(zhǔn)確。在測(cè)水的比汽化熱的過(guò)程中，我們主要從兩個(gè)方面來(lái)減小誤差——采用抵償法、加保溫層并力圖縮短橡皮管的距離。最終測(cè)得的數(shù)據(jù)比較好，與公認(rèn)值的相對(duì)偏差小于3%，提高了教學(xué)效果，為以后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)堅(jiān)定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]柯莎，劉正強(qiáng)等.水的比汽化熱的測(cè)量誤差分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（10）.

[3]水的比汽化熱的測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，13（02）.

基金項(xiàng)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(jì)劃項(xiàng)目（2015-DCX-X-01）

作者簡(jiǎn)介：柯莎（1985-），女，陜西漢中人，碩士，主要從事大學(xué)物理教學(xué)方面的工作和相關(guān)研究。endprint