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：以銀川能源學院基礎部熱學實驗室液體比汽化熱測量的實驗儀器為基礎，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物理熱學實驗室的一個重要實驗項目[1]，它對比汽化熱和凝結熱等熱學概念的理解，對理論和實踐的有機結合，對學生動手動腦及綜合能力的培養有一定的幫助和促進作用。從學生測量的數據來看，大部分學生所得到結果的誤差較大。本文主要利用混合法測量水的比汽化熱，分析了誤差產生的主要來源并提出了改進方法，力圖使學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）插入到量熱器內杯中。如果水和量熱器內杯的初始溫度為θ1℃， 而質量為M的水蒸汽進入量熱器的水中被凝結成水，當水和量熱器內杯溫度均衡時，其溫度值為θ2℃。[2.3]如果將系統看成是一個與外界沒有熱交換的孤立系統，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量，m1和m2鋁量熱器和鋁攪拌器的質量，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。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滿足如下的線性關系：I=Bθ+A

式中B稱為傳感器的溫度系數（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（或減小）lμA，A為傳感器在攝氏零度時的輸出電流，該值與0℃的熱力學溫度273 K相對應（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，FD-YBQR主機里與傳感器串聯的取樣阻為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，應先對其定標（即確定所用AD590的B和A）。實際定標時常采用AD590的測溫探頭與精密溫度計對應的方法。同時將其置入冷水、室溫、溫水、熱水等幾種環境中，分別記錄測溫探頭與精密溫度計的對應值，最終根據逐差法求B和A。

（2）水的比汽化熱的測量結果。我們的對銀川能源學院自來水進行測量，其測量數據如表1；計算水的比汽化熱和測量的相對誤差，其數據如表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，沒有考慮系統與外界熱交換產生的熱量損失，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誤差，通入水蒸汽前將采用冰水將水溫調低，使水的初溫比室溫低Δθ，通汽后當水溫比室溫高約Δθ時停止通汽，這樣系統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）水蒸氣通過蒸汽導管時有部分水蒸氣會凝結成水滴進入量熱器[4]，這也是產生誤差的主要來源。目前實驗室里采用橡皮管作為蒸汽導管， 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，這樣就可以使產生的水滴大大地減少了；（3）線性溫度傳感器定標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，在定標過程中都需要學生不斷地取放溫度計，并且要一直用手扶著溫度計來讀數，操作起來比較麻煩，有時會因為學生不小心而損壞溫度計的現象常常發生。操作繁瑣，不僅僅造成實驗器材的損壞，而且也容易使學生受到傷害。因此，我們決定對定標過程進行設計改造，利用導熱系數實驗項目里的溫度傳感器來定標，已達到方便快捷安全操作實驗的目的。

4 小結

我們在原有儀器的基礎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院現有的實驗儀器，提出了新的改進方案，使該實驗能達到滿意的教學效果。

參考文獻：

[1]張廣平.從水的汽化熱測定中培養學生的研究能力[J].隴東學院學報，2011，22（02）.

[2]周榮生.汽化熱實驗的誤差分析[J].徐州師范大學學報（自然科學版），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].綿陽師專學報（自然科學版），1996，14（02）.

基金項目：銀川能源學院“本科教學工程”大學生創新創業訓練計劃項目（2015-DCX-X-01）

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