“燃燒熱的測(cè)定”的改進(jìn)及用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

易均輝，龔福忠

(1.廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系，廣西 河池 547000；2.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西 南寧 530004)

“燃燒熱”的測(cè)定實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容之一。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，對(duì)物質(zhì)燃燒熱的測(cè)定通常是采用氧彈燃燒熱測(cè)定方法，該方法雖然可以對(duì)萘等有機(jī)物的燃燒熱進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，但是卻存在著成功率低，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，造成這一缺點(diǎn)的原因是點(diǎn)火方式不夠理想，藥品往往不能被引燃而完全燃燒。為了能夠克服這些缺點(diǎn)，李森蘭，鐘紅梅，張建策等人提出了一系列的改進(jìn)意見(jiàn)[1~3]。但是這些改進(jìn)措施都存在操作過(guò)程復(fù)雜，成功率不夠高的缺點(diǎn)。為此，結(jié)合教學(xué)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)研究報(bào)道，我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)探索，對(duì)引火絲與可燃物的接觸面，火絲松動(dòng)與坩堝接觸情況關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。而對(duì)該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理也僅僅是手工在方格紙上描點(diǎn)作圖求取ΔT，既費(fèi)時(shí)又容易引入誤差，主觀隨意性大，致使結(jié)果重復(fù)性差，難以準(zhǔn)確。因此尋找一種簡(jiǎn)便、更可靠的數(shù)據(jù)處理方法很有意義。目前 “燃燒熱”的測(cè)定數(shù)據(jù)處理的報(bào)道比較少，陳旭紅[4]提出用Origin軟件的線性擬合和非線性曲線擬合進(jìn)行處理，但處理過(guò)程比較復(fù)雜。因此我們采用Origin軟件通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，再進(jìn)行線性擬合、內(nèi)推和外推等方法，簡(jiǎn)便地獲取了所需數(shù)據(jù)ΔT，并且由此計(jì)算得到的燃燒熱與文獻(xiàn)值相非常吻合。

1 燃燒熱的測(cè)定

1.1 基本原理

氧彈量熱計(jì)大體可分為兩類：一類是環(huán)境恒溫式，另一類是絕熱式，本實(shí)驗(yàn)采用的是環(huán)境恒溫式。該儀器是將可燃燒性物質(zhì)在隔離體系中燃燒，從體系的溫度升高值及體系的熱容來(lái)計(jì)算燃燒熱。被測(cè)物質(zhì)在氧彈中完全燃燒所釋放的燃量使氧彈本身及周圍的介質(zhì)和熱量計(jì)有關(guān)的附件的溫度升高。根據(jù)能量守恒定律，測(cè)量體系在燃燒前后溫度的變化就可以求算該物質(zhì)恒容燃燒熱QV。其方程式如下：

式中QV為樣品的恒容燃燒熱；3000為量取水的體積； ρ是水的密度；C水是水的比熱容；C計(jì)為量熱計(jì)的水當(dāng)量；ΔT為樣品燃燒前后水溫的變化；l絲和Q絲是引然用的燃燒絲的長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度的燃燒值；m棉和Q棉是引燃用的棉線的質(zhì)量和燃燒值；m樣和M是被測(cè)樣品的質(zhì)量和摩爾質(zhì)量。則：

由于實(shí)驗(yàn)中不可避免地存在熱交換，使得ΔT不能很準(zhǔn)確地測(cè)定。實(shí)驗(yàn)通過(guò)雷諾溫度校正曲線得到所需的ΔT。雷諾溫度校正曲線是把燃燒前后所測(cè)得時(shí)間（t）溫度（T）作圖得到的曲線。

圖1所示的曲線由于熱量計(jì)向環(huán)境的熱漏造成了溫度的降低。圖2所示的曲線由于試驗(yàn)裝置的絕熱性能良好，熱漏很小，而攪拌器功率較大，不斷引進(jìn)的能量使得曲線不出現(xiàn)極高溫度點(diǎn)；可把A、B間的距離作為校正后的ΔT。將ΔT代入式（2）算出C計(jì)，再由 C計(jì)求出 QV，最后再根據(jù) QP= QV+∑ vB（g）RT式計(jì)算出萘的恒壓燃燒熱值QP。

圖1 體系散熱的雷諾溫度校正圖

圖2 體系吸熱的雷諾溫度校正圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)

針對(duì)該實(shí)驗(yàn)存在著成功率低，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，我們提出來(lái)了以下2點(diǎn)改進(jìn)： （1） 增大引火絲與可燃物的接觸面。為了使引火絲與可燃物接觸面大為增加，我們將其繞成小圈狀并貼在可燃物上方，提高點(diǎn)火成功率。（2）避免引火絲松動(dòng)。由于引火絲很輕，有可能在裝樣過(guò)程因搖晃而造成引火絲松動(dòng)，而與樣品脫落，或與坩堝接觸，為此我們將纏繞一根棉紗于引火絲上。

2 Origin處理數(shù)據(jù)

與Microsoft word、Excel等一樣，Origin軟件是一個(gè)多文檔界面（Multiple Document Interface）的應(yīng)用程序[5]。用Origin軟件處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不用編程,只要輸入測(cè)量數(shù)據(jù),然后再選擇相應(yīng)的菜單命令,點(diǎn)擊相應(yīng)的工具按鈕，即可方便地進(jìn)行有關(guān)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、作圖、曲線擬合等處理，操作簡(jiǎn)便快速。它將用戶所有的工作都保存在后綴為OPJ的工程文件（Project）中，一個(gè)工程文件可以包括多個(gè)子窗口，可以是工作表窗口（Worksheet）、繪圖窗口（Graph）、函數(shù)圖窗口（ Function Graph）、矩陣窗口（Matrix）、版面設(shè)計(jì)窗口（Layout Page）等。Origin軟件的基本功能和一般用法簡(jiǎn)介Origin具有2大主要功能：數(shù)據(jù)繪圖和數(shù)據(jù)分析。下面先以本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例主要介紹Origin其數(shù)據(jù)繪圖功能。以下引用一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，見(jiàn)表1 所示。

表1 苯甲酸與萘在不同時(shí)間時(shí)的量熱儀內(nèi)水溫的變化值

2.1 Origin繪圖

啟動(dòng)Origin，在工作表中輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，添加新一列并右擊其頂部，在文本框中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。先作苯甲酸雷諾溫度校正曲線圖，我們選取第一列和第二列數(shù)據(jù)，繪制直線+符號(hào)圖。所得結(jié)果如圖3(a)所示。選取點(diǎn)火前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即30~600 s段數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，點(diǎn)擊Origin工具欄里的Data selector，點(diǎn)擊光標(biāo)，按住Ctrl鍵移動(dòng)到所需位置點(diǎn)，然后在分析欄選擇線性擬合。出現(xiàn)圖3(b)內(nèi)容然后再選擇數(shù)據(jù)菜單中選中l(wèi)inearFit5，再在分析菜單選中內(nèi)推與外推工具，彈出窗口，改變最大值與最小值就得圖3(c)；同理處理得上半段數(shù)據(jù)得到如圖3(d)結(jié)果，再點(diǎn)擊Origin工具欄里選取的Line Tool，按住shift畫一水平和鉛直直線，再選取Pointer移動(dòng)工具，水平為虛線，中點(diǎn)位置，交于S曲線一點(diǎn)，見(jiàn)圖3(e)；鉛直直線就過(guò)這一點(diǎn)，會(huì)與外推線與內(nèi)推線交于一點(diǎn)，見(jiàn)圖3(f)；最后用Screen Reader讀出坐標(biāo)點(diǎn)，標(biāo)于圖中，最后再進(jìn)行簡(jiǎn)單地處理得到最終圖見(jiàn)圖4所示。

圖3 苯甲酸雷諾溫度校正曲線形成過(guò)程圖

圖4 苯甲酸與萘的溫度-時(shí)間變化關(guān)系的雷諾校正溫度圖

2.2 計(jì)算ΔT

計(jì)算苯甲酸ΔT=291.3831-289.9251=1.4580k；同理萘ΔT ′=1.7266k。與坐標(biāo)紙?zhí)幚碇档慕Y(jié)果差別見(jiàn)表2。

表2 不同方法所得ΔT

2.3 計(jì)算QP

已知：氣壓 102.49kPa，溫度 18℃，QV= -26414J·g-1；Q絲= -2.9J·cm-1；Q棉= -16736J·g-1， ρ水=1.0g·mL-1；C水= 4.2J·g-1，實(shí)驗(yàn)中各物質(zhì)消耗的量見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)中各物質(zhì)消耗的量

根據(jù)式（2），計(jì)算出QV最后轉(zhuǎn)化成QP，即燃燒熱△c Hm。對(duì)Origin處理及坐標(biāo)紙?zhí)幚慝@取的結(jié)果及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)照，結(jié)果列于表4。

表4 不同方法處理結(jié)果及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)，克服了成功率低，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，大大提高點(diǎn)火成功率，縮短了實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間。另一方面使用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般僅需10min即可完成，同時(shí)能夠符合實(shí)驗(yàn)的要求，從結(jié)果來(lái)看，絕對(duì)誤差非常小，相對(duì)誤僅為0.022% ，較手工繪圖誤差縮小近4.5倍。因此， 運(yùn)用該軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方便快捷, 科學(xué)精確。對(duì)于物理化學(xué)的其它實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)作用，如純液體飽和蒸氣壓的測(cè)定；電導(dǎo)法測(cè)定乙酸乙酯在堿性條件下的水解反應(yīng)；二組分氣一液平衡相圖；測(cè)定表面張力實(shí)驗(yàn)中都有應(yīng)用[6~9]。

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