水的比汽化熱的測(cè)量誤差分析

柯莎+劉正強(qiáng)+張紅偉+耿永鵬+丁振

摘 要：以銀川能源學(xué)院基礎(chǔ)部熱學(xué)實(shí)驗(yàn)室液體比汽化熱測(cè)量的實(shí)驗(yàn)儀器為基礎(chǔ)，重點(diǎn)測(cè)量水的比汽化熱，分析了用該儀器該方法測(cè)量比汽化熱時(shí)誤差的主要來源，并針對(duì)誤差的來源，提出了簡(jiǎn)便的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：水；比汽化熱；誤差；改進(jìn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.215

0 引言

水的比汽化熱的測(cè)量是大學(xué)物理熱學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1]，它對(duì)比汽化熱和凝結(jié)熱等熱學(xué)概念的理解，對(duì)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，對(duì)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦及綜合能力的培養(yǎng)有一定的幫助和促進(jìn)作用。從學(xué)生測(cè)量的數(shù)據(jù)來看，大部分學(xué)生所得到結(jié)果的誤差較大。本文主要利用混合法測(cè)量水的比汽化熱，分析了誤差產(chǎn)生的主要來源并提出了改進(jìn)方法，力圖使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中注意誤差的來源，并有意地去減小誤差，以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的目的。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

我們利用混合法來測(cè)量水的比汽化熱。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θ1℃， 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(shí)，其溫度值為θ2℃。[2.3]如果將系統(tǒng)看成是一個(gè)與外界沒有熱交換的孤立系統(tǒng)，那么Q放=Q吸，即：

ML+MC水（θ3-θ2）=（mC水+m1C鋁+m2C鋁）·（θ2-θ1）

從而

其中，m為原先在量熱器中水的質(zhì)量，m1和m2鋁量熱器和鋁攪拌器的質(zhì)量，L為水的比汽化熱。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）集成測(cè)溫傳感器AD590的定標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用AD590型集成電路溫度傳感器測(cè)量溫度，其線性工作電壓：4.5V～20V，它的輸出電流I與溫度θ滿足如下的線性關(guān)系：I=Bθ+A

式中B稱為傳感器的溫度系數(shù)（或靈敏度），約為1μA/℃，即溫度升高（或降低）1℃，流過傳感器的電流就增加（或減?。﹍μA，A為傳感器在攝氏零度時(shí)的輸出電流，該值與0℃的熱力學(xué)溫度273 K相對(duì)應(yīng)（實(shí)驗(yàn)使用時(shí)，可放在冰點(diǎn)溫度下進(jìn)行確定）。利用上述特性，可以制成各種用途的溫度計(jì)。在通常實(shí)驗(yàn)時(shí)，采取測(cè)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1000Ω±1%。

在制造時(shí)每個(gè)傳感器的B與A不可能完全相同，故實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先對(duì)其定標(biāo)（即確定所用AD590的B和A）。實(shí)際定標(biāo)時(shí)常采用AD590的測(cè)溫探頭與精密溫度計(jì)對(duì)應(yīng)的方法。同時(shí)將其置入冷水、室溫、溫水、熱水等幾種環(huán)境中，分別記錄測(cè)溫探頭與精密溫度計(jì)的對(duì)應(yīng)值，最終根據(jù)逐差法求B和A。

（2）水的比汽化熱的測(cè)量結(jié)果。我們的對(duì)銀川能源學(xué)院自來水進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量數(shù)據(jù)如表1；計(jì)算水的比汽化熱和測(cè)量的相對(duì)誤差，其數(shù)據(jù)如表2。

3 誤差分析及改進(jìn)方法

由以上計(jì)算我們可以看出，目前在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，其測(cè)量誤差較大，誤差的來源主要有以下這幾個(gè)方面：（1）在實(shí)驗(yàn)過程中，沒有考慮系統(tǒng)與外界熱交換產(chǎn)生的熱量損失，事實(shí)上，量熱器不可避免的要與外界進(jìn)行熱交換，這是系統(tǒng)誤差的主要來源。為了減小該誤差，我們課題組的成員決定采用抵償法來減小系統(tǒng)誤差，通入水蒸汽前將采用冰水將水溫調(diào)低，使水的初溫比室溫低Δθ，通汽后當(dāng)水溫比室溫高約Δθ時(shí)停止通汽，這樣系統(tǒng)從外界吸收的熱量和向外界放出的熱量就可以盡可能地抵消；（2）水蒸氣通過蒸汽導(dǎo)管時(shí)有部分水蒸氣會(huì)凝結(jié)成水滴進(jìn)入量熱器[4]，這也是產(chǎn)生誤差的主要來源。目前實(shí)驗(yàn)室里采用橡皮管作為蒸汽導(dǎo)管， 橡皮管對(duì)水的潤(rùn)濕性差， 水蒸汽和橡皮管的接觸面積大， 當(dāng)水蒸汽通過時(shí)容易形成不均勻的水滴。在實(shí)驗(yàn)的過程中，我們力圖縮短橡皮管的長(zhǎng)度，并在玻璃管和橡皮管的外邊加泡沫塑料作為保護(hù)層，這樣就可以使產(chǎn)生的水滴大大地減少了；（3）線性溫度傳感器定標(biāo)時(shí)我們采用水銀溫度計(jì)來測(cè)溫度， 水銀溫度計(jì)存在熱惰性大， 估讀困難等因素。同時(shí)，在定標(biāo)過程中都需要學(xué)生不斷地取放溫度計(jì)，并且要一直用手扶著溫度計(jì)來讀數(shù)，操作起來比較麻煩，有時(shí)會(huì)因?yàn)閷W(xué)生不小心而損壞溫度計(jì)的現(xiàn)象常常發(fā)生。操作繁瑣，不僅僅造成實(shí)驗(yàn)器材的損壞，而且也容易使學(xué)生受到傷害。因此，我們決定對(duì)定標(biāo)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，利用導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目里的溫度傳感器來定標(biāo)，已達(dá)到方便快捷安全操作實(shí)驗(yàn)的目的。

4 小結(jié)

我們?cè)谠袃x器的基礎(chǔ)上已進(jìn)行了多次測(cè)量，計(jì)算出了水的比汽化熱，分析了實(shí)驗(yàn)過程中可能產(chǎn)生的誤差及誤差的來源。我們針對(duì)誤差的來源和銀川能源學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器，提出了新的改進(jìn)方案，使該實(shí)驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到滿意的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)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(jì)劃項(xiàng)目（2015-DCX-X-01）

作者簡(jiǎn)介：柯莎（1985-），女，陜西漢中人，碩士，主要從事物理教學(xué)方面的工作和高溫超導(dǎo)方面的研究。