水的比汽化熱的測量實驗改進(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)實驗室液體比汽化熱測量和導(dǎo)熱系數(shù)的測定這兩套實驗儀器為基礎(chǔ)，對比汽化熱的測量實驗儀器進(jìn)行了簡便的改進(jìn)，并測量了銀川能源學(xué)院自來水的比汽化熱，結(jié)果表明實驗改進(jìn)之后的測量值與公認(rèn)值十分接近，相對誤差較小，達(dá)到了滿意的教學(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 實驗原理及方法

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

液體比汽化熱的測量方法一般分為電熱法和混合法兩類。銀川能源學(xué)院基礎(chǔ)部物理實驗中心有熱學(xué)實驗室，該實驗室有用混合法測量液體比汽化熱的實驗儀器。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，其溫度值為℃。如果將系統(tǒng)看成是一個與外界沒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)生熱量損失時的結(jié)論，實驗上只要有溫差存在，就會有熱損失，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 實驗內(nèi)容

2.1 集成電路溫度傳感器AD590的定標(biāo)

本實驗采用AD590型集成電路溫度傳感器來測量溫度，它由多個參數(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與溫度滿足如下的線性關(guān)系：

式中B稱為傳感器的靈敏度，約為，即溫度升高（或降低），流過傳感器的電流就增加（或減小）1，為傳感器在攝氏零度時的輸出電流，該值與的熱力學(xué)溫度273K相對應(yīng)。利用上述特性，可以制成各種用途的溫度計。實驗時，采取測量取樣電阻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]。

在制造時每個傳感器的B與A不可能完全相同，故實驗前，應(yīng)先對其定標(biāo)（即確定AD590的B和A）。實際定標(biāo)時常采用AD590的測溫探頭與水銀溫度計對應(yīng)的方法，同時將其置入冷水、溫水、熱水等幾種不同的環(huán)境中，分別記錄測溫探頭與溫度計的對應(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測溫的弊端，因此改進(jìn)后我們決定使用導(dǎo)熱系數(shù)里的溫度傳感器來測溫定標(biāo)，并且采用直線擬合的方法來確定B和A（見表1、圖1）。

由此可知，，，故。

2.2 水的比汽化熱的測量

（1）用物理天平稱量熱器內(nèi)杯和攪拌器的質(zhì)量，分別記為m1和m2，并稱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，稱其總質(zhì)量為，則水的質(zhì)量。

（2）在燒瓶內(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，開始加熱時將溫控電位器順時針調(diào)到底，并移去瓶蓋，使低于沸點的水蒸汽從瓶口排出。同時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，組裝好實驗儀器等待燒瓶中的水沸騰。

（3）當(dāng)燒瓶中的水沸騰時調(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，并記錄測溫儀電壓示數(shù)，計算出水的初溫，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，同時不斷攪拌杯內(nèi)的水。整個過程中要控制好通汽時間，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，打開瓶塞不再向量熱器內(nèi)杯中通汽，移開量熱器繼續(xù)并攪拌量熱杯內(nèi)的水，讀出穩(wěn)定時測溫儀的電壓，計算出水的末溫。

（6）稱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、同時采用抵償法等措施，可以很好的消除誤差，測量值與公認(rèn)值非常接近，相對誤差很小，達(dá)到了滿意的效果。另外，在實驗的過程中，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，整個通汽過程時間不宜過長，大概1分鐘左右為宜。

3 小結(jié)

本文對溫度傳感器AD590進(jìn)行了定標(biāo)，定標(biāo)時采用導(dǎo)熱系數(shù)里的傳感器來測溫度，與之前的水銀溫度計相比，有許多優(yōu)點——測量過程方便快捷，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等，同時利用excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，找到A和B的數(shù)值，相對于之前的逐差法處理數(shù)據(jù)而言，直線擬合更加準(zhǔn)確。在測水的比汽化熱的過程中，我們主要從兩個方面來減小誤差——采用抵償法、加保溫層并力圖縮短橡皮管的距離。最終測得的數(shù)據(jù)比較好，與公認(rèn)值的相對偏差小于3%，提高了教學(xué)效果，為以后的實驗教學(xué)堅定了良好的基礎(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]水的比汽化熱的測量實驗設(shè)計[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，13（02）.

基金項目：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，主要從事大學(xué)物理教學(xué)方面的工作和相關(guān)研究。endprint