冰的熔解热实验装置的改进

高　红，邓舒鉴，师凡迪，董国波，李　华，王　玫

(北京航空航天大学 物理科学与核能工程学院，北京 100191)



冰的熔解热实验装置的改进

高红，邓舒鉴，师凡迪，董国波，李华，王玫

(北京航空航天大学 物理科学与核能工程学院，北京 100191)

摘要：将保温杯引入到测定冰熔解热的实验中，提高了实验装置的保温性能；利用马达和风扇自制了搅拌装置，保证了搅拌均匀性；利用单片机、传感器模块和液晶屏实现了温度数显功能，提高了实验精度. 通过对比改进前后的实验装置的实验数据可知，改进后的实验装置有效地减小了实验误差.

关键词：熔解热；冰；温度

1实验原理

单位质量的晶体物质在熔点时从固态全部变成液态所需的热量，叫做该晶体物质的熔解潜热，亦称熔解热. 基础物理教学实验[1]中一般采用混合量热法测定冰的熔解热. 基本做法是：把待测系统A和已知其热容的系统B混合，并设法使它们形成与外界没有热量交换的孤立系统C，这样可以设定A所放出来的热量全部为B所吸收，所以系统在实验过程中所传递的热量Q等于温度的改变和热容的乘积. 由此可见，保持系统为孤立系统，是混合量热法所要求的基本条件. 而且，计温时必须使系统各处温度达到均匀.

2原有实验装置

测定冰的熔解热实验是热学实验中的经典实验，其主要测定方法是混合量热法，实验中需保持系统为孤立系统. 为了使实验系统(包括待测系统与已知其热容的系统)成为孤立系统，实验采用了量热器. 量热器基本构成是2个抛光不锈钢筒、不锈钢搅拌棒、Pt1000探头及万用表. 通常在内筒中放水、温度计及搅拌器，连同放进的待测物体就构成了该实验系统. 内筒置于一绝热架上，外筒用绝热盖盖住，空气与外界对流很小，又因空气是不良导体，所以内、外筒间靠传导方式传递的热量同样可以减至很小，同时由于内筒的外壁及外筒的内外壁都电镀得十分光亮，使得它们发射和吸收热辐射的本领变得很小，这样的量热器就被粗略地近似为一个孤立系统. 此外，为了保证温度测量的准确性和可靠性，实验过程中需要对系统进行持续搅拌.

3实验装置的改进

组织了大二本科生组建创新小组，同时作为“一制二式”物理实验教学模式[2]的探索与实践部分，将现有的实验装置进行思考和分析.

3.1提高保温性能

原装置主要依靠内外筒之间的空气层进行隔热，由于密封性不强、内外桶之间易进水等因素，导致其隔热性能大大降低. 众所周知，真空的保温隔热效果最好，且真空工艺成熟，很容易实现. 市场上有制作工艺比较成熟的保温桶，经过简易改装，可满足实验需要. 如图1所示，将金属保温桶作为外筒，将菜隔中间钻1个与原有内筒外径相等的孔. 此时就完成了对外筒的改进.

图1　外筒示意图

3.2实现自动搅拌

利用原装置实验时在人工搅拌过程中，操作者既要观测时间，又要每15 s(在加入冰块温度快速变化期间)记录1次数据，搅拌质量难以保证. 同时，若搅拌力度不合适极易导致水花四溅，降低实验精度. 原装置搅拌棒为不锈钢材质，容易导热，在操作者执一端进行搅拌的过程中，会与系统进行热交换. 为此利用马达(3～6 V)、小型风扇叶片、不锈钢轴、联轴器等器材自制了自动搅拌装置(如图2所示)，有效地避免了上述问题的出现.

图2　自动搅拌装置图

3.3温度数显

测温仪器是连有Pt1000测温探头的万用表，需要记录其显示的电阻值后经换算得到相应的温度值. 在加入冰块温度快速变化期间，电阻值变化很快，难以记录到相应时间节点处的准确值. 实验最初选择的是市面上精度优良的数显温度计. 但是实验含USB接口的DS18B20温度传感器模块具有如下缺点：需连接电脑显示数据，不利于在实验室推广，增加实验成本；显示温度时间随机非均匀；反应慢，平均增长速度0.5 ℃/s，不能满足实验快速变化要求；精度差，仅能保留到小数点后1位，误差为±1 ℃. 因此，自制了温度数显仪，实现了温度的可视化和精准化. 所需的器材有：DS18B20传感器模块，1602液晶屏，YL39-51单片机. 组装的效果图如图3所示. 该装置的主要优点是：精度高，保留小数位数高，满足测量要求；反应相对较快；可以无限次修改程序和导入，方便完善.

在实际设计和制作过程中，除了考虑到提高实验结果精度和简化实验操作这两方面因素外，还需考虑实际应用的性价比. 由于该套装置主要用于学生实验，成本不宜过高，也无需追求过多的自动化，所以实验装置主要是针对上述几个方面进行了相对简易的改动，方便了实现实验操作化及提高实验结果的精度.

4实验数据对比

利用改进后的实验装置与原有的实验装置进行实验，测得的数据如表1所示. 表中：T1为冰的温度，T2为投入冰块时系统的温度，T3为冰块完全熔化时系统的温度，L为冰的熔解热，η为实验误差. 不同温差条件下，水量控制在1/2～2/3满水量条件下，进行实验发现，改进后的装置可以有效减小实验误差.

表1　改进装置与原有装置测量冰的熔解热的对比数据

5结束语

在量热法测量冰的熔解热实验中，对原实验装置在保温、搅拌、温度检测等方面进行改进. 本次改进主要利用了马达、风扇、单片机、保温杯等器材，通过对其进行合理的组装，改进了冰的熔解热测定装置. 经测试，该装置提高了实验的操作便利性，且提高了实验结果的精度. 此外，改进后的装置的成本较低，便于在实验室推广使用.

参考文献：

[1]李朝荣，徐平，唐芳，等. 基础物理实验(修订版)[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2]李朝荣，李华，陈强，等. “一制二式”物理实验教学模式的探索与实践[J]. 实验室研究与探索，2013， 32(5)：173-175.

[3]张春玲，唐蕾，钱钧，等. 从冰的熔解热看物理实验教学中存在的问题[J]. 物理实验，2012，32(2)：25-27.

[责任编辑：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

中图分类号：O436.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)04-0044-03

作者简介：高红(1984-)，女，河北唐山人，北京航空航天大学物理科学与核能工程学院实验师，博士，研究方向为光电功能信息材料的研发.

收稿日期：2015-11-07

资助项目：基础研究培育计划(No.YWF-15-WLXY-020)；北京航空航天大学教改项目；北京高等学校青年英才计划(No.YETP1139)