苏锡国,黄语嫣,徐赫骏
(沈阳建筑大学,辽宁沈阳 110168)
装置主要利用气体受热膨胀受冷收缩原理。
图1 原理图
由理想气体方程式:可知,瓶中气体在物质的量一定,体积一定的条件下,当温度升高时,瓶中压强在温度与瓶中蒸腾的水蒸气共同作用下而增大。而当瓶中气压增大到一定程度时,会将水持续压入左侧烧杯中。这一加热过程中,由于温度一直在升高,水能够不断地经橡胶管流入烧杯。当左侧烧杯重量大于右侧装置重量时,根据杠杆原理,盛有左侧烧杯的蝴蝶夹会在重力的作用下下沉,使右侧球形烧瓶上升相应高度,慢慢离开酒精灯火焰,而继续的加热会使右侧球形烧瓶中的水全部压入左侧。待烧瓶离开热源,右侧烧瓶中温度降低,在气体体积收缩与水蒸气液化的作用下,瓶内压强减小。从而右侧压强小于左侧大气压以及克服左侧水柱产生的压强时,水就会被倒吸回来。当右侧烧瓶中的水达到一定质量时,通过杠杆,右侧蝴蝶夹再次由于重力的作用下下沉,使左侧烧杯上升一定高度,使上面的导管形成一个角度,由于惯性,倒吸过程会持续到左侧烧杯中的水全部倒吸回右侧。
用铁架台充当中杆支架,右侧用一个套在铁架台上的铁圈固定装有水的球形烧瓶,通过连接在铁架台上的简易支架支撑由蝴蝶夹做成的杠杆,由蝴蝶夹连接烧杯,用橡胶管与玻璃管连接左右两个容器,右侧球形烧瓶用橡胶塞塞紧,在其中一端橡胶塞中放入温度计且不能接触到水面,并将橡胶管下面有细玻璃管的一段伸入水面下,将球形烧瓶用酒精灯加热,适当调整火焰距离和固定所用的铁圈高度,待装置组装好后加热酒精灯,开始实验并记录用水量和温度及所用时间。
节省时间,所用水源为80毫升温水。倒入水后,塞紧装置,保证密闭不透气。同时注意,要使细玻璃管伸入到球形瓶液面下,使橡胶管自然到达烧杯底部。
本次实验共做出四组数据。
表1 水80 mL距离热源近0 cm
图2 时间-温度曲线
通过图2可以看出,随着酒精灯的加热,气体温度升高,当温度达到72℃时,右侧烧瓶中的水全部流入左侧烧杯中。随之移出酒精灯,左侧烧瓶中的水会立即倒吸回去。
表2 水80 mL距离热源近0 cm
图3 时间-温度曲线
在改变水温之后,我们用同样80 mL的水进行试验。由图3可得,当温度达到73℃之后,水会倒吸回去。
表3 水80 mL距离热源远5 cm
图4 时间-温度曲线
在实验中增温的基础上,改变了距离热源距离。发现温度的增长速率有所降低,最高点温度也升高了一些(图4)。
表4 水80 mL距离热源远5 cm
图5 时间-温度曲线
与实验三(图5)对比,当和热源保持一定距离时,水温增大,会使温度对时间的导数即温度的变化率会减小,升温过程会较之前缓慢。
(1)本装置利用简单的实验仪器,基于热力学原理,具有方便、实用、操作简单等特点。整个过程自动进行,无需移开热源,省时省力。
(2)本装置也存在一些缺陷:由于仪器限制,酒精灯的加热效率不高,延长了加热时间及实验时间。同时装置对环境温度依赖较高,需要控制一定的外界因素。
(3)进行的四组实验反映出,水温与距热源距离对于装置加热效率的影响,为装置的最有效应用做出了一定贡献。同时,通过图像,可以直观地反映出热力学原理在本装置中的应用。
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