手機熱成像技術(shù)在化學(xué)實驗中的應(yīng)用研究

劉江，洪俊華，王俐驕，趙寧東，徐懷春，劉俊

文山學(xué)院冶金與環(huán)境學(xué)院，云南 文山 663000

在自然界中，物體溫度高于絕對零度就會輻射電磁波，熱成像技術(shù)能通過采集物體發(fā)出的紅外電磁波信號并經(jīng)處理系統(tǒng)將輻射能量的變化轉(zhuǎn)化為便于肉眼識別直觀的溫度彩色圖譜。熱成像技術(shù)具有溫度測量范圍廣、探測準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時間短、不會破壞被測溫度場等特點[1]，在民航、電力、石化、森林防火、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2,3]。2020年新冠疫情防控中，紅外體溫檢測儀在車站、口岸、碼頭、機場等公眾場所對人體體溫疑似患者甄別具有重要作用，是打贏疫情防控戰(zhàn)的重要裝備，解決了傳統(tǒng)測溫需要人員近距離接觸的問題，實現(xiàn)非接觸式快速、精準(zhǔn)測溫，減少交叉感染的風(fēng)險。

化學(xué)反應(yīng)都伴隨著能量的變化，這種變化會引起對外輻射電磁波的變化，熱成像技術(shù)能捕捉這種變化并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的溫度。2017年美麗科學(xué)團隊使用高分辨率紅外熱成像儀拍攝了“放熱反應(yīng)”氫氧化鈉溶解、濃硫酸稀釋等系列視頻并發(fā)布在網(wǎng)上供人們觀看和下載[4]。在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗中，實驗者通常使用水銀溫度計或皮膚的觸覺來感知溫度的變化，普通水銀溫度計只能在某特定位置測定該位置的溫度，具有延時、靈敏度低等缺陷，獲得一個溫度需要等待幾秒甚至幾分鐘。

近年來出現(xiàn)了操作簡單、便捷的手機紅外成像產(chǎn)品，國內(nèi)外化學(xué)教育教學(xué)領(lǐng)域報道了一些在教學(xué)實驗中的應(yīng)用[5–9]，使用效果好于普通測溫工具。段輝等[10]采用手機熱成像插件巡查實驗室，能消除潛在的安全隱患；陳夢麟等[11]用手機熱成像儀分別拍攝試管和燒杯正確加熱與不規(guī)范加熱造成的不同結(jié)果，這種實時可視化工具可以讓實驗者看到原本不可見的現(xiàn)象。

本文使用FLIR One Pro手機熱成像儀和配套的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)探究毛細管法測定萘的熔點、蒸餾法測定乙醇的沸點及濃硫酸與紙脫水反應(yīng)實驗溫度分布變化。該種無接觸式測溫方法，通過觀察熱圖像顏色變化表征反應(yīng)體系溫度分布和熱量傳遞過程，在軟件操作界面添加“測溫點”可對裝置同時進行多點無接觸式測溫，配套的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將溫度變化信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號呈現(xiàn)在手機屏幕。

1 試劑與儀器

試劑與材料：萘、95%乙醇、濃硫酸(均為分析純)，鐵架臺，硅膠塞，封口玻璃毛細管，熔點測定管，濾紙，培養(yǎng)皿，手機三角支架，藍牙自拍器。

儀器與設(shè)備：手機紅外熱成像儀(型號：FLIR ONE PRO 安卓版，熱分辨率：160 × 120，熱像儀探測器波長范圍：8–14 μm，測溫范圍：?20 – 150 °C或0–400 °C)，智能手機，201型蒸餾裝置。

2 實驗

2.1 毛細管法測定萘的熔點

搭建如圖1(a)所示裝置，熔點測定管安裝、樣品裝填等常規(guī)程序同教材[12]，不作贅述。從硅膠塞上剪下一塊略大于熔點測定管口徑的硅膠塊并用針戳一小孔，將裝有萘的樣品管插入小孔并伸入濃硫酸中，調(diào)節(jié)樣品高度使其位于支管口附近。開始實驗前，將接有熱成像儀的手機用手機三角支架固定，啟動配套軟件操作界面如圖1(b) (不同型號手機軟件操作界面各部分功能圖標(biāo)分布存在差異，本文以榮耀AKA-AL10為例)，在軟件操作界面上點擊右下角“圖像控制”菜單中的“調(diào)色板”圖標(biāo)，更改圖像顯示方式，實驗者可從9種不同的調(diào)色板中按需選擇，本文使用的是彩虹圖。點擊屏幕上方“測溫點”圖標(biāo)添加測溫點并移動至樣品所在區(qū)域，調(diào)節(jié)測溫點大小使樣品完全位于測溫范圍內(nèi)，可按需添加多個測溫點觀察同一時刻不同點的溫度。下方菜單欄可選擇“照片”或“視頻”模式，點擊屏幕底部“白色圓點”按鈕，將照片或視頻保存至圖庫中。實驗中用藍牙自拍器輔助拍照或錄制視頻記錄過程的熱圖像變化和測溫點溫度變化，避免因屏幕抖動對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

圖1 熔點測定裝置(a)與軟件操作界面(b)

實驗結(jié)束后點擊“圖庫”可查看已保存的圖像信息，選擇“可見圖像”查看自然光狀態(tài)下的圖像信息，選擇“熱圖像”中“調(diào)色板”圖標(biāo)可按需再次更換圖像顯示方式，圖2(a)為熱圖像(彩虹圖)，圖2(b)為可見光圖像。熱圖像中藍色表示低溫區(qū)域，紅色表示高溫區(qū)域，熱圖像中顏色變化可以直觀反應(yīng)出整個實驗區(qū)域溫度分布。點擊“測溫點”圖標(biāo)可以按需添加測溫點，移動測溫點可獲取圖像中任意點溫度，如圖2(c)所示。

圖2 熱圖像與可見光圖像對比

圖3為熔點測定管中熱量變化過程，酒精燈靠近熔點測定管加熱時熱圖像對應(yīng)位置顏色迅速變紅(圖3(a))，熱量沿著熔點測定管向加熱點上方傳遞至支管口后逐漸向熔點測定管下方傳遞，形成熱對流(圖3(b–d))。熔點測定管上部分溫度比下部分溫度更高，豎直部分支管口處溫度最高。當(dāng)測溫點溫度達到79.1 °C時樣品管內(nèi)樣品出現(xiàn)萎縮塌落、出現(xiàn)小液滴、固液共存、全部熔化等現(xiàn)象，各階段溫度清晰可見(圖3(e–g))，樣品全部融化后測溫點溫度繼續(xù)升高(圖3(h))。

圖3 熔點測定管熱圖像變化和測溫點溫度變化

2.2 蒸餾法測定乙醇的沸點

搭建如圖4所示裝置，蒸餾裝置安裝等常規(guī)程序同教材[12]，熱成像軟件調(diào)試同2.1，不作贅述。實驗環(huán)境條件，室溫：19.7 °C，大氣壓：88.57 kPa。開始實驗前，添加測溫點，調(diào)整支架高度、拍攝角度及測溫點位置使其位于蒸餾頭支口，開啟電熱裝置加熱，通過拍照或錄視頻記錄蒸餾過程支管口附近的熱圖像變化和測溫點溫度變化。

圖4 沸點測定裝置

圖5為蒸餾過程的熱圖像變化，開始加熱時溫度上升緩慢(圖5(a–c))，隨后熱量從圓底燒瓶向蒸餾頭傳遞，蒸餾頭支口附近溫度逐漸升高(圖5d，5f)。當(dāng)測溫點溫度達到69.8 °C時，燒瓶中液體開始沸騰，接收管口開始有液體滴出，測溫點溫度保持在69.8 °C附近，接收管口不斷有液體滴出(圖5g，5h)。

圖5 蒸餾裝置熱圖像變化和測溫點溫度變化

通過熱成像圖像可以看出實驗裝置中不同位置的溫度存在差異，圖像顏色變化可直觀反映出熱量在裝置中的傳遞過程及分布情況。普通溫度計和一般溫度傳感器每次只能測定某一點的溫度，無法同時顯示體系各部位的溫度分布及動態(tài)變化。手機熱成像技術(shù)可以將被測目標(biāo)中所有點的溫度呈現(xiàn)在熱圖像中，將體系溫度變化及熱量傳遞過程轉(zhuǎn)化為圖譜中顏色變化，顏色變化越快說明被測體系的溫度變化越快，熱傳遞越劇烈。實驗結(jié)束后可通過觀察熱圖像待裝置冷卻至合適溫度后再拆卸。

2.3 濃硫酸與紙的脫水反應(yīng)

在表面皿上放一張濾紙，滴加一滴濃硫酸，用手機熱成儀拍攝實驗現(xiàn)象。圖6為濃硫酸與濾紙脫水反應(yīng)過程熱圖像與可見光對比。

圖6 濃硫酸與紙的脫水反過程熱圖像與可見光圖像對比

濃硫酸具有強烈的脫水性，能將濾紙中的氫、氧元素按水的組成比脫去，濾紙?zhí)蓟?。濃硫酸滴到濾紙上，濾紙表面慢慢變黑，由接觸邊緣不斷向外延伸，黑色逐漸加深，最終在濾紙上腐蝕出一個孔。通過熱圖像觀察到濃硫酸滴到濾紙表面后顏色迅速變?yōu)榧t色甚至白色，不同溫度呈環(huán)狀分布。隨著反應(yīng)的進行中心溫度開始逐漸降低，濾紙被腐蝕穿孔，該區(qū)域顏色變藍，溫度降至室溫，但四周溫度仍較高。肉眼觀察濃硫酸與濾紙的脫水反應(yīng)過程始終只是單調(diào)的黑白兩色，而在熱圖像中此過程呈現(xiàn)“藍–黃–紅”等多種顏色，直觀表現(xiàn)出脫水放熱的特點和濾紙溫度分布情況，在熱圖像中添加“測溫點”能夠?qū)崟r、快速顯示出圖像任意點溫度，這是一般的目視觀察、溫度測量或量熱法測量無法做到的。

3 結(jié)語

在化學(xué)實驗中引入手機熱成像技術(shù)，其靈敏度與準(zhǔn)確性可以滿足一般化學(xué)實驗教學(xué)需求，在大學(xué)實驗教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在有機合成實驗中，用熱成像儀能快速、準(zhǔn)確、直觀地看到反應(yīng)體系各部分溫度分布，以此來判斷反應(yīng)物的滴加速度和時間，有利于提高產(chǎn)率，如在己二酸的制備實驗中可以通過觀察熱圖像顏色變化來控制己二醇的滴加速率，有利于提高實驗成功率。在微型實驗中，能精確測定反應(yīng)的溫度，且不用直接接觸，避免對實驗的影響。還可以用來檢修實驗設(shè)備、電路、管道等，消除實驗室潛在的危險。

在實驗教學(xué)中依靠手機熱成像技術(shù)可以把實驗過程體系能量變化通過彩色圖像直觀表達出來，能對不可見的熱運動和熱現(xiàn)象直接觀察和分析，可以加深學(xué)生對物理變化、化學(xué)變化過程的理解，豐富學(xué)生的實驗體驗。