淺談如何提高熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確度

陳清云 方新慧

摘 要：針對(duì)日常熱量計(jì)熱容量標(biāo)定中易出現(xiàn)的問(wèn)題，提出解決辦法，為提高熱量計(jì)熱容量標(biāo)定準(zhǔn)確度提供參考。

關(guān)鍵詞：熱容量 ;準(zhǔn)確度

0 ?前言

熱量計(jì)的熱容量是指該儀器的量熱系統(tǒng)溫度每升高1℃所需要吸收的熱量。不同的熱量計(jì)有不同的熱容量，即使是同一臺(tái)熱量計(jì)的熱容量也會(huì)隨著環(huán)境溫度及其它試驗(yàn)條件的變化而變化，因此不能在所有情況下都長(zhǎng)期使用同一個(gè)熱容量值，需經(jīng)常標(biāo)定儀器熱容量值。

判斷發(fā)熱量測(cè)值準(zhǔn)確與否與熱容量標(biāo)定值的準(zhǔn)確度有直接影響，因此，對(duì)于準(zhǔn)確地測(cè)定煤的發(fā)熱量，熱容量的標(biāo)定顯得至關(guān)重要。

1.熱量計(jì)熱容量標(biāo)定前、標(biāo)定中、標(biāo)定后的注意事項(xiàng)

1.1熱量計(jì)熱容量標(biāo)定前準(zhǔn)備工作

1.1.1內(nèi)、外筒水量控制

量熱儀的原理就是通過(guò)測(cè)量水的溫升來(lái)確定發(fā)熱量，在熱容量標(biāo)定之前向外筒添加少量水，使溢水口有少量溢出為宜。內(nèi)筒水量則保持注水面剛剛淹沒(méi)氧彈頭的水平面位置，每次注水量應(yīng)一致，因?yàn)閮?nèi)筒水量多少?zèng)Q定了熱容量大小。

另外，一年須定期更換一次外筒水，避免外筒水中的雜物堵塞管道。更換時(shí)，應(yīng)先將內(nèi)筒清理干凈，然后按操作程序更換。換水后保證自然放置不少于24h，使其水溫與室溫達(dá)到平衡狀態(tài)。

1.1.2室溫調(diào)整

熱容量的測(cè)定由一組獨(dú)立的試驗(yàn)組成，因此要求：每次試驗(yàn)過(guò)程中室溫變化應(yīng)盡量不超過(guò)1℃，通常室溫以不超出（15-30）℃為宜。

1.1.3苯甲酸的準(zhǔn)備

熱容量的標(biāo)定一般采用法定計(jì)量和傳遞熱值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸，苯甲酸為碳、氫、氧 3 種元素組成的有機(jī)化合物，分子式為C6H5COOH，易吸水。此外，注意苯甲酸的純度，避免玷污。從商家購(gòu)買的已壓制成片的苯甲酸，也應(yīng)放入干燥器中，每次試驗(yàn)前仍需在70度環(huán)境下干燥3小時(shí)以上。

1.1.4標(biāo)定前的器具檢查

1.1.4.1量熱溫度計(jì)

發(fā)熱量實(shí)際上是通過(guò)測(cè)定內(nèi)筒水溫溫升算出來(lái)的，所以測(cè)準(zhǔn)水溫特別重要。目前所使用的溫度計(jì)精度可達(dá)0.001K。溫度計(jì)應(yīng)至少每?jī)赡晷ｒ?yàn)一次。

1.1.4.2攪拌器

攪拌器有螺旋漿式或其他形式，轉(zhuǎn)速400-600r/min為宜，并保持穩(wěn)定，攪拌效率應(yīng)能使熱容量標(biāo)定中由點(diǎn)火到終點(diǎn)的時(shí)間不超過(guò)10min，同時(shí)又要避免產(chǎn)生過(guò)多的攪拌熱。

1.1.4.3氧彈

在正式試驗(yàn)前，應(yīng)將空氧彈充足氧氣，將氧彈放入裝滿水的大容器中，水面以過(guò)氧彈為宜，觀察氧彈上有無(wú)氣泡冒出，確保氧彈的密封性能良好，以保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

新氧彈和新?lián)Q部件的氧彈應(yīng)經(jīng)20.0MPa的水壓試驗(yàn)，證明無(wú)問(wèn)題后方能使用。每次水壓試驗(yàn)后氧彈的使用時(shí)間不能超過(guò)2年。

1.1.4.4充氧儀

充氧儀必須放在平穩(wěn)的工作臺(tái)面上，嚴(yán)禁與各種油脂接觸，充氧儀周圍嚴(yán)禁有明火存在。

1.1.4.5接線柱

試驗(yàn)之前須用砂布擦去接線柱的氧化層，保證點(diǎn)火絲與氧彈接觸良好，避免點(diǎn)火失敗。

1.1.5氧氣瓶?jī)?nèi)壓力

當(dāng)鋼瓶中壓力降到5.0MPa以下時(shí)，充氧時(shí)間應(yīng)酌量延長(zhǎng)，不得少于15秒。壓力降到4.0MPa以下時(shí)應(yīng)更換氧氣。

1.1.6選擇坩堝

標(biāo)定熱容量還是測(cè)定發(fā)熱量所用的坩堝，質(zhì)量大小應(yīng)基本相同，坩堝不宜過(guò)厚，且內(nèi)部要有一定弧度，防止死角存在，保證試樣燃燒完全且本身又不受腐蝕和產(chǎn)生熱效應(yīng)為原則。

1.2熱量計(jì)熱容量標(biāo)定中的注意事項(xiàng)

1.2.1室溫控制

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，為了能容易地觀察終點(diǎn)同時(shí)又盡量減少蒸發(fā)熱的影響，終點(diǎn)時(shí)內(nèi)筒溫度應(yīng)高出外筒1℃左右;我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用簡(jiǎn)化式推算法求v0、vn，為了達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，要求外筒溫度與室溫之差應(yīng)控制在1.5℃之內(nèi)。

1.2.2試驗(yàn)室條件控制

試驗(yàn)室應(yīng)為單獨(dú)房間，不得在同一房間內(nèi)進(jìn)行其它試驗(yàn)項(xiàng)目;試驗(yàn)室內(nèi)不應(yīng)有強(qiáng)烈的熱源和風(fēng)扇等，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)避免開(kāi)啟門(mén)窗;熱量計(jì)應(yīng)避免陽(yáng)光直射，試驗(yàn)室安裝遮光窗簾。

1.3熱量計(jì)熱容量標(biāo)定后檢查與結(jié)果整理

1.3.1檢查燃燒是否完全

在熱容量標(biāo)定試驗(yàn)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)苯甲酸燃燒不完全而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的現(xiàn)象，即試驗(yàn)結(jié)束后打開(kāi)氧彈蓋，若在氧彈帽、坩堝支架以及坩堝內(nèi)發(fā)現(xiàn)黑碳?；蚝谯E，或坩堝內(nèi)有一層灰色物質(zhì)，應(yīng)判定試驗(yàn)失敗，重新試驗(yàn)。

1.3.2標(biāo)定后的結(jié)果計(jì)算

1.3.2.1熱容量標(biāo)定精密度

熱量計(jì)標(biāo)定精密度要求是5次或5次以上苯甲酸測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.20%。

1.3.2.2熱容量標(biāo)定準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度要求：標(biāo)準(zhǔn)煤樣測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值之差都在不確定度范圍內(nèi);或?qū)⒈郊姿嶙鳛闃悠愤M(jìn)行5次或5次以上的測(cè)試，其平均值與標(biāo)準(zhǔn)熱值相差不超過(guò)50J/g。

1.3.2.3熱容量標(biāo)定期限

熱容量標(biāo)定的有效期為3個(gè)月。發(fā)生以下情況時(shí)，需重新標(biāo)定：1.更換量熱溫度計(jì)或測(cè)溫探頭;2.當(dāng)測(cè)定發(fā)熱量與測(cè)定熱容量室溫相差超過(guò)5度;3.用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢查量熱儀的準(zhǔn)確度時(shí)，測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值不一致;4.更換量熱系統(tǒng)的較大部件;5.熱量?jī)x經(jīng)過(guò)較大搬動(dòng)。

1.3.2.2.1用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢查熱容量準(zhǔn)確度

用煤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)檢查熱量計(jì)的測(cè)定準(zhǔn)確度時(shí)，應(yīng)注意同時(shí)測(cè)定水分，并用水分測(cè)定值進(jìn)行干基高位發(fā)熱量的計(jì)算。另外，還要注意標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)中給出的全硫值為干基硫St，d，用它來(lái)計(jì)算高位發(fā)熱量時(shí)，先將其換算為分析基全硫St，ad再參與計(jì)算，或者先將分析基彈筒發(fā)熱量換算為干基彈筒發(fā)熱量后再進(jìn)行計(jì)算。

1.3.2.2.2用標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸檢查熱容量準(zhǔn)確度

因苯甲酸燃燒熱只與碳和氫元素的燃燒熱有關(guān)與氮元素的反應(yīng)熱無(wú)關(guān)。在用標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸來(lái)標(biāo)定熱容量時(shí)，在計(jì)算氧彈內(nèi)的總釋熱量時(shí)應(yīng)加上硝酸生成熱;而在苯甲酸來(lái)反標(biāo)儀器的準(zhǔn)確度時(shí)，應(yīng)扣除硝酸生成熱。

1.3.2.3熱容量的漂移

如果熱量計(jì)量熱系統(tǒng)沒(méi)有顯著改變，重新標(biāo)定的熱容量值與前一次的熱容量值相差不應(yīng)大于0.25%，否則應(yīng)檢查試驗(yàn)程序，解決問(wèn)題后再重新進(jìn)行標(biāo)定。

2.新型熱量計(jì)熱容量有效工作范圍確定

在使用新型熱量計(jì)前，需確定其熱容量的有效工作范圍。方法是：至少用苯甲酸進(jìn)行8次熱容量標(biāo)定試驗(yàn)，苯甲酸片的質(zhì)量一般為（0.7-1.3）g，或者根據(jù)被測(cè)樣品可能涉及的熱值（溫升）范圍確定苯甲酸片的質(zhì)量。在兩個(gè)端點(diǎn)處，至少分別做兩次重復(fù)測(cè)定。然后以溫升Δt（tn-t0）為橫坐標(biāo)，以熱容量E為縱坐標(biāo)，繪制溫升與熱容量值的關(guān)系圖。如果從圖中觀察到的熱容量值在整個(gè)范圍內(nèi)沒(méi)有明顯的系統(tǒng)變化，該熱量計(jì)的熱容量可視為常數(shù)。如果從圖中觀察到的熱容量值與溫升有明顯的相關(guān)性，除繪制E和Δt的相關(guān)圖外，還可用一元線性回歸的方法求得E和Δt的關(guān)系式：E=a+bΔt，并計(jì)算方程的標(biāo)準(zhǔn)方差S2。在測(cè)定試樣的發(fā)熱量時(shí)，根據(jù)實(shí)際的溫升Δt確定所用的熱容量值（查圖或公式計(jì)算）。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了減少熱容量標(biāo)定不準(zhǔn)確帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，熱容量標(biāo)定前、標(biāo)定后的工作都需認(rèn)真對(duì)待。因此，操作者須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，提高熱容量標(biāo)定的準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

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[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 213-2008 ， 煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[S]