冰的熔解熱實驗裝置的改進

高　紅，鄧舒鑒，師凡迪，董國波，李　華，王　玫

(北京航空航天大學 物理科學與核能工程學院，北京 100191)

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冰的熔解熱實驗裝置的改進

高紅，鄧舒鑒，師凡迪，董國波，李華，王玫

(北京航空航天大學 物理科學與核能工程學院，北京 100191)

摘要：將保溫杯引入到測定冰熔解熱的實驗中，提高了實驗裝置的保溫性能；利用馬達和風扇自制了攪拌裝置，保證了攪拌均勻性；利用單片機、傳感器模塊和液晶屏實現(xiàn)了溫度數(shù)顯功能，提高了實驗精度. 通過對比改進前后的實驗裝置的實驗數(shù)據(jù)可知，改進后的實驗裝置有效地減小了實驗誤差.

關(guān)鍵詞：熔解熱；冰；溫度

1實驗原理

單位質(zhì)量的晶體物質(zhì)在熔點時從固態(tài)全部變成液態(tài)所需的熱量，叫做該晶體物質(zhì)的熔解潛熱，亦稱熔解熱. 基礎(chǔ)物理教學實驗[1]中一般采用混合量熱法測定冰的熔解熱. 基本做法是：把待測系統(tǒng)A和已知其熱容的系統(tǒng)B混合，并設(shè)法使它們形成與外界沒有熱量交換的孤立系統(tǒng)C，這樣可以設(shè)定A所放出來的熱量全部為B所吸收，所以系統(tǒng)在實驗過程中所傳遞的熱量Q等于溫度的改變和熱容的乘積. 由此可見，保持系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)，是混合量熱法所要求的基本條件. 而且，計溫時必須使系統(tǒng)各處溫度達到均勻.

2原有實驗裝置

測定冰的熔解熱實驗是熱學實驗中的經(jīng)典實驗，其主要測定方法是混合量熱法，實驗中需保持系統(tǒng)為孤立系統(tǒng). 為了使實驗系統(tǒng)(包括待測系統(tǒng)與已知其熱容的系統(tǒng))成為孤立系統(tǒng)，實驗采用了量熱器. 量熱器基本構(gòu)成是2個拋光不銹鋼筒、不銹鋼攪拌棒、Pt1000探頭及萬用表. 通常在內(nèi)筒中放水、溫度計及攪拌器，連同放進的待測物體就構(gòu)成了該實驗系統(tǒng). 內(nèi)筒置于一絕熱架上，外筒用絕熱蓋蓋住，空氣與外界對流很小，又因空氣是不良導體，所以內(nèi)、外筒間靠傳導方式傳遞的熱量同樣可以減至很小，同時由于內(nèi)筒的外壁及外筒的內(nèi)外壁都電鍍得十分光亮，使得它們發(fā)射和吸收熱輻射的本領(lǐng)變得很小，這樣的量熱器就被粗略地近似為一個孤立系統(tǒng). 此外，為了保證溫度測量的準確性和可靠性，實驗過程中需要對系統(tǒng)進行持續(xù)攪拌.

3實驗裝置的改進

組織了大二本科生組建創(chuàng)新小組，同時作為“一制二式”物理實驗教學模式[2]的探索與實踐部分，將現(xiàn)有的實驗裝置進行思考和分析.

3.1提高保溫性能

原裝置主要依靠內(nèi)外筒之間的空氣層進行隔熱，由于密封性不強、內(nèi)外桶之間易進水等因素，導致其隔熱性能大大降低. 眾所周知，真空的保溫隔熱效果最好，且真空工藝成熟，很容易實現(xiàn). 市場上有制作工藝比較成熟的保溫桶，經(jīng)過簡易改裝，可滿足實驗需要. 如圖1所示，將金屬保溫桶作為外筒，將菜隔中間鉆1個與原有內(nèi)筒外徑相等的孔. 此時就完成了對外筒的改進.

圖1　外筒示意圖

3.2實現(xiàn)自動攪拌

利用原裝置實驗時在人工攪拌過程中，操作者既要觀測時間，又要每15 s(在加入冰塊溫度快速變化期間)記錄1次數(shù)據(jù)，攪拌質(zhì)量難以保證. 同時，若攪拌力度不合適極易導致水花四濺，降低實驗精度. 原裝置攪拌棒為不銹鋼材質(zhì)，容易導熱，在操作者執(zhí)一端進行攪拌的過程中，會與系統(tǒng)進行熱交換. 為此利用馬達(3～6 V)、小型風扇葉片、不銹鋼軸、聯(lián)軸器等器材自制了自動攪拌裝置(如圖2所示)，有效地避免了上述問題的出現(xiàn).

圖2　自動攪拌裝置圖

3.3溫度數(shù)顯

測溫儀器是連有Pt1000測溫探頭的萬用表，需要記錄其顯示的電阻值后經(jīng)換算得到相應的溫度值. 在加入冰塊溫度快速變化期間，電阻值變化很快，難以記錄到相應時間節(jié)點處的準確值. 實驗最初選擇的是市面上精度優(yōu)良的數(shù)顯溫度計. 但是實驗含USB接口的DS18B20溫度傳感器模塊具有如下缺點：需連接電腦顯示數(shù)據(jù)，不利于在實驗室推廣，增加實驗成本；顯示溫度時間隨機非均勻；反應慢，平均增長速度0.5 ℃/s，不能滿足實驗快速變化要求；精度差，僅能保留到小數(shù)點后1位，誤差為±1 ℃. 因此，自制了溫度數(shù)顯儀，實現(xiàn)了溫度的可視化和精準化. 所需的器材有：DS18B20傳感器模塊，1602液晶屏，YL39-51單片機. 組裝的效果圖如圖3所示. 該裝置的主要優(yōu)點是：精度高，保留小數(shù)位數(shù)高，滿足測量要求；反應相對較快；可以無限次修改程序和導入，方便完善.

在實際設(shè)計和制作過程中，除了考慮到提高實驗結(jié)果精度和簡化實驗操作這兩方面因素外，還需考慮實際應用的性價比. 由于該套裝置主要用于學生實驗，成本不宜過高，也無需追求過多的自動化，所以實驗裝置主要是針對上述幾個方面進行了相對簡易的改動，方便了實現(xiàn)實驗操作化及提高實驗結(jié)果的精度.

4實驗數(shù)據(jù)對比

利用改進后的實驗裝置與原有的實驗裝置進行實驗，測得的數(shù)據(jù)如表1所示. 表中：T1為冰的溫度，T2為投入冰塊時系統(tǒng)的溫度，T3為冰塊完全熔化時系統(tǒng)的溫度，L為冰的熔解熱，η為實驗誤差. 不同溫差條件下，水量控制在1/2～2/3滿水量條件下，進行實驗發(fā)現(xiàn)，改進后的裝置可以有效減小實驗誤差.

表1　改進裝置與原有裝置測量冰的熔解熱的對比數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

在量熱法測量冰的熔解熱實驗中，對原實驗裝置在保溫、攪拌、溫度檢測等方面進行改進. 本次改進主要利用了馬達、風扇、單片機、保溫杯等器材，通過對其進行合理的組裝，改進了冰的熔解熱測定裝置. 經(jīng)測試，該裝置提高了實驗的操作便利性，且提高了實驗結(jié)果的精度. 此外，改進后的裝置的成本較低，便于在實驗室推廣使用.

參考文獻：

[1]李朝榮，徐平，唐芳，等. 基礎(chǔ)物理實驗(修訂版)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2]李朝榮，李華，陳強，等. “一制二式”物理實驗教學模式的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2013， 32(5)：173-175.

[3]張春玲，唐蕾，錢鈞，等. 從冰的熔解熱看物理實驗教學中存在的問題[J]. 物理實驗，2012，32(2)：25-27.

[責任編輯：尹冬梅]

Improvement on experiment device of the heat of fusion of ice

GAO Hong, DENG Shu-jian, SHI Fan-di, DONG Guo-bo, LI Hua, WANG Mei

(School of Physics and Nuclear Energy Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract:Three improved measures were designed for the experiment device of the heat of fusion of ice. Firstly, vacuum cup was used in the experiment to increase the thermal insulation properties. Secondly, a churn-dasher was self-made by using motor and fan to insure the homogeneity. Thirdly, the temperature digital readout function was realized by reasonable assembly of single chip micyoco, sensor and liquid crystal display, and the experiment precision was raised. By comparing the experiment data of before and after the improvement device, improved device could effectively reduce the experimental error.

Key words:heat of fusion; ice; temperature

中圖分類號：O436.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)04-0044-03

作者簡介：高紅(1984-)，女，河北唐山人，北京航空航天大學物理科學與核能工程學院實驗師，博士，研究方向為光電功能信息材料的研發(fā).

收稿日期：2015-11-07

資助項目：基礎(chǔ)研究培育計劃(No.YWF-15-WLXY-020)；北京航空航天大學教改項目；北京高等學校青年英才計劃(No.YETP1139)