第23卷第1期 大学物理 vol 23 No. 1 2004年1月 COLLEGE PHYSICS 水的比汽化热测量装置的改进 陈骏逸,陆申龙 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要:对传统的测量水的比汽化热实验中的加热和输气装置进行改进,采用集成电路温度传感器测量量热器中温度,实 现了水比汽化热非电量电测,较准确地测量水的比汽化热 关键词:比汽化热;集成电路温度传感器;非电量电测 中图分类号:O4-34;0551.3 文献标识码A 文章编号:1000-0712(2004)01-0041-03 1引言 液体汽化时的比汽化热 本实验采用混合法测定水的比汽化热将水蒸 水的比汽化热在水的三态变化中是一个重要的气锅中接近100℃的水蒸气由橡皮管通到量热器 物理量传统的测量水的比汽化热实验装置中,传输中如果水和量热器内杯的初温为1,而质量为M 蒸气的管道比较长.由于管道与周围环境发生热交的水蒸气进入量热器的水中,被凝结成水,当水与量 换,使得蒸气在传输过程中损失热量,造成在进入量热器内杯均达同一温度时,其温度值为2则水的 热器内杯的蒸气中含有液态的水,加上原装置用水比汽化热可由下式得到: 银温度计测温,水银温度计存在热惰性大,估读困难ML+Mcm(03-02)=(mx+m1cA+m2CA)(02-61) 等因素.这样就引人了较大的测量误差而新型的集 成电路温度传感器AD590却具有如下优点:1)温式中,c。为水的比热容,m为原先在量热器中水的 度变化引起输出量的变化呈良好的线性关系;2)不质量,m1为铝搅拌器的质量,cA为铝的比热容,m2 需要参考点;3)抗干扰能力强;4)使用简单方便;为铝量热器内杯的质量,03为水蒸气的温度,L为 5)数字显示,利于计算机实时测量因此笔者用集水的比汽化热 成电路温度传感器AD590替代水银温度计,用于整 集成电路温度传感器AD590是由多个参数相 个实验过程中对温度的测量,更方便、准确地测量温同的三极管和电阻组成当该器件的两引出端加有 度,而且使缩短输送蒸气管道成为可能将这些改进某一直流工作电压(一般工作电压可在4.5~20V 引入到教学实验中,取得了良好的教学效果 范围内)时,该温度传感器的温度每升高或降低 2实验原理 1°C,则传感器的输出电流将增加或减少1μA,其输 出电流与温度满足如下关系: 物质由液态向气态的转化过程称为汽化定义 (2) 单位质量的液体在温度保持不变的情况下转化为气式中,为AD590的输出电流单位为A,为摄氏 体时所吸收的热量称为该液体的比汽化热液体的温度,B为斜率,A为0℃时的电流值,该值恰好与 比汽化热不但和液体的种类有关,而且和汽化时的冰点的热力学温度273K相对应,利用AD590集成 温度有关,因为温度升高液相中分子和气相分子的电路温度传感器的上述特性,可以制成各种用途的 能量差别将逐渐减小,因而温度升高,液体的比汽化温度计在实际工作时,采取测量取样电阻R上的 热减小 电压来求得电流Ⅰ 物质由气态转化为液态的过程称为凝结,凝结 时将释放出在同一条件下汽化时所吸收的相同的热 3实验装置 量,因而,可以通过测量凝结时放出的热量来测量该 图1为实验装置图 收稿日期:2002-04-22;修回日期:2003-01-04 作者简介:陈骏逸(1963-),男,浙江鄞县人复旦大学物理系讲师,主要从事普通物理实验教学研究 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. Al rights reserved
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42 大学物理 第23卷 3)打开加热电炉电源,将烧瓶及水加热直至水 沸腾(加热过程中应将烧瓶帽盖打开),当水沸腾后 应当调节加热电炉的电压,即调节烧瓶内水的沸腾 状况,使得水蒸气的出气程度比较适中,在实验时, 加热电炉 水蒸气的通人既不能把量热杯内的水溅出,又不能 使量热杯内的水发生倒灌 AD590 4)将橡皮管插入量热杯内的水中,把烧瓶帽盖 数字电压表 上,蒸气通过短的玻璃和橡皮管直接进入水中,观测 集成电路温度传感器AD590的输出电压值,当杯内 水的温度升高一定值后,将烧瓶帽打开,停止向量热 加温调节量热器 搅拌棒 器进气,用搅拌器搅拌量热器中的水,读出水和内杯 温度刚好均匀相等时的末温θ2 5)用电子天平称出内杯和水的质量,求出杯内 水的总质量M2,该质量Ma与原来水的质量m之 本实验对传统的装置进行了改进,水蒸气通入 量热器途中,先经过处于100℃水温的玻璃管然后差,即为通入的水蒸气的质量M=M总 经过很短的玻璃和橡皮管直接进入水中,这样可避 6)将实验数据代入式(1),求出水的比汽化热 免水蒸气在输送过程中先凝成水滴后被带入量热器5实验数据和结果 中加热电炉的输人电压由控温器控制和调节,保证 水蒸气输入量热器的速率符合实验要求在本实验 1)集成电路温度传感器AD590的定标按图2 中,量热器内杯与外杯之间采用聚苯乙烯发泡塑料接线.测量在不同温度下取样电阻R上的电压值, 进行绝热,这比空气绝热的量热器绝热效果好些 得不同温度,时,电阻R上的电压U,测量结果见 对传感器的改进:二般AD90传感器直接测量表1 表1 水温易引起管脚之间通过水短路.本装置中AD590 除测温金属面裸露感温外,管脚等均被密封在铝壳 内,在水中测温既准确,又灵敏 85.7 1.1296.8301.8304.5 4实验方法 1)集成电路温度传感器AD590的定标每个 经最小二乘法拟合得B=1.012A°C;A 集成电路温度传感器的灵敏度有所不同,在实验前,271.6pA;r=0.99 应将其定标按图2要求接线.测量AD590集成电 2)水的比汽化热的测量.实验时大气压为 路温度传感器的电流Ⅰ与温度θ的关系,取样电阻1.015×10°Pa,查表得03=100℃,m;=3,45g, R为1000Q.把实验数据用最小二乘法进行直线m2=2717g,cn=4.187×103Jkg."C';cA 拟合,求斜率B、截距A和相关系数r 0.9002×103J·kgl.°C 将编号1数据代人式(1),进行计算,可得 L=2.17×10°jkg 表2数据的计算结果如表3所示,在100°C 时,水的比汽化热公认值为2.25×10Jkg k⊙ 表2 图2 2)实验前称量式(1)中有关实验器材的质量及1344527604.33302.530.51140.37612 测量杯内水的温度 efang Optical Disc Co, Lid. All rights reserved
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1期 陈骏逸等:水的比汽化热测量装置的改进 43 表3 内如果考虑量热器不可避免地与外界进行热交换, 编号L/kg1百分差/%LJk 百分差/% 可以在实验中,先使水的初始温度低于室温,当水蒸 2.17×10° 2.18×10 气进入量热器的水中,被凝结成水,水与量热器内杯 22.16×10°4.02.17×10°3.7 均达同一温度时,使其温度高于室温,并且两者与室 2.24×10° 2.24×10° 温之差基本相等,这样就可以抵销量热器与外界进 行的热交换,以提高实验的准确度,这从第三组数据 表中L表示水的比汽化热,L表示经过传感器可以明显看到 吸热修正的水的比汽化热,百分差是指实验结果与 6结束语 公认值的百分差修正方法是测量集成电路温度传 感器AD590的热容量,即将已知温度日4的传感器 本实验装置通过对输气管的改进,使得蒸气与 放入量热器内杯的水中例如64小于原来水和内杯外界的热交换减少到最小程度;并用集成电路温度 的温度,达到热平衡时温度为6,利用热平衡原传感器测量温度测量的准确度高可以实现非电量 理,测量集成电路温度传感器的热容量m3c3 电测,利于计算机进行测量再加上量热器内杯与外 m3c3(O6-04)=(mcn+m1cN+m2cA)(05-6) 杯之间采用聚苯乙烯发泡塑料进行绝热,达到较好 (3)的绝热效果,因而使测量水的比汽化热实验的准确 式中,m为量热器内杯中水的质量 度大大提高.经过教学实践测量,本实验测量水的比 通过测量可以得到本实验装置中传感器浸入水汽化热的相对偏差一般小于5% 中部分的热容量m3c3=1796×103J·C1 经过改进后本实验装置中的量热器部分不仅可 考虑集成电路温度传感器的热容量后式(1)变以用于测量水的比汽化热,而且还可用于其他量热 为 学实验,如冰的溶解热,液氮的比汽化热等实验,实 ML+ Mcw(,-8,)=(mcw+m,cAl+ 验效果也都有明显提高 ngc 3)(2-01 (4)参考文献 从实验数据上看,用改进后的水的比汽化热测 [1]贾玉润,王公治,凌佩玲.大学物理实验[M]上海:复 量装置进行测量,从第一和第二组数据(相同条件下 旦大学出版社,198 进行测量)中可以看到,所得到的结果比较稳定,实[2]周成钢施林,陆申龙AD590集成电路温度传感器特 验结果与公认值的百分差一般可以控制在5%以 性测量与应用[门].大学物理实验,1998,11(2)8 Improvement of devices for measuring specific vaporization heat of water CHEN Jun-yi, LU Shen-long Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China) Abstract: Conventional heating and transporting devices for measuring specific vaporization heat of water is improved by using integrated circuit temperature sensor to measure temperature of water in calorimeter. This improvement results in realizing an electrically measuring technique for non-electric quantity, specific vaporiza tion heat of water, with higher accuracy Key words: specific vaporization heat; integrated circuit temperature sensor; electrical approach of non-elec- ric quantity measurement C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Lid. Al rights reserved
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