專利名稱：一種用于混合量熱法測量冰的溶解熱實驗的新型設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理類的實驗儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混合量熱法測量冰的溶解熱實驗是國內(nèi)高校物理專業(yè)實驗課中的一項基礎(chǔ)實驗，也是相關(guān)理工科專業(yè)大學物理課程中必修的基礎(chǔ)實驗。所謂“混合量熱法”的基本做法如下把待定系統(tǒng)A與已知熱容的系統(tǒng)B相混合，并設(shè)法使其成為一個與外界無熱量交換的孤立系統(tǒng)C(＝A+B)。這樣A(或B)所放出的熱量將全部為B(或A)所吸收，因而滿足熱量平衡方程Q放＝Q吸。已知熱容的系統(tǒng)在實驗過程中所傳遞的熱量Q是可以由其溫度的改變Δθ及其熱容CS計算出來的Q＝CSΔθ。于是待測系統(tǒng)在實驗過程中所傳遞的熱量即可求得。
對測量冰的溶解熱的實驗的具體原理為質(zhì)量M、溫度θ的與質(zhì)量m、溫度θ1的水相混合，冰全部溶解為水后，測得平衡溫度為θ2。假定量熱器內(nèi)筒與攪拌器的質(zhì)量分別為m1、m2，其比熱容分別為c1、c2；水銀溫度計單位體積的熱容為cv，其浸沒水中的體積為v；水及冰的比熱容分別為c和ci(在-40℃～0℃范圍內(nèi)，ci＝1.8kJ·kg-1·K-1)；冰的熔點為θ0。則由熱平衡方程可得c1M(θ0-θ)+ML+cM(θ2-θ0)＝(cm+c1m1+c2m2+cvV)(θ1-θ2)本實驗條件下，冰的熔點可認為是0℃，也可選取冰塊的溫度θ＝0℃。于是冰的溶解熱可由下式求出L＝(cm+c1m1+c2m2+cvV)(θ1-θ2)/M-cθ2綜上，本試驗已知的數(shù)據(jù)為c＝4.186kJ·m-3·K-1c1＝0.385kJ·m-3·K-1c2＝0.370kJ·m-3·K-1m2＝2.0×10-2kJ·m-3·K-1cv＝1.93×103kJ·m-3·K-1需要測量的數(shù)據(jù)為1.實驗用水質(zhì)量m；
2.量熱器內(nèi)筒質(zhì)量m1；3.溫度計浸在水中的體積V；4.初溫θ1和末溫θ2；5.根據(jù)實驗要求繪制的θ-t關(guān)系曲線(即需記錄由θ1開始每10秒記錄一次溫度，直到穩(wěn)定在θ2時結(jié)束)；6.環(huán)境溫度θe(初始θe1，末溫θe2，θe＝(θe1+θe 2)/2)根據(jù)檢索到的信息，目前高校中進行的這個實驗儀器基本都是一樣的，這套儀器組合已經(jīng)有很多年歷史了，作為基礎(chǔ)實驗的設(shè)備基本沒有什么改變，目前的儀器用品包括量熱器，水銀溫度計，物理天平，秒表，小量筒，冰塊，干布，熱水。
現(xiàn)有設(shè)備的一個重大問題在于其測量過程操作繁瑣，及易造成操作失誤與誤差。
以現(xiàn)有設(shè)備試驗時，一般操作動作為左手不斷使用攪拌桿攪拌，右手持筆記錄，眼睛須在秒表與溫度計之間交換讀數(shù)，同時記錄數(shù)據(jù)。這個過程中可產(chǎn)生的誤差有1.手動攪拌均勻性差，造成溶解的不均勻，存在誤差；2.由于眼睛要在秒表與溫度計之間交換，師傅變化大，從讀數(shù)到記錄將產(chǎn)生時間上的誤差，從而造成數(shù)據(jù)的誤差。
另外，目前一般實驗室安排的對環(huán)境溫度的測量為全室共用一臺溫度計，不能準確反映實驗者周圍的溫度變化情況，故而環(huán)境溫度的測量也是不盡準確的。
可以看到由于操作動作過多，學生在過程中經(jīng)常會漏讀數(shù)據(jù)，造成前面的準備工作無效，須重新測量，而物理天平的使用又是很耗費時間的，從而延長實驗課時間。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有實驗設(shè)備需實驗者用手攪拌導致攪拌均勻性差，造成溶解的不均勻，存在誤差，以及操作動作過多，學生在過程中經(jīng)常會漏讀數(shù)據(jù)，造成前面的準備工作無效，須重新測量，從而延長實驗課時間的問題，提供一種用于混合量熱法測量冰的溶解熱實驗的新型設(shè)備。
本發(fā)明提供的用于混合量熱法測量冰的溶解熱實驗的新型設(shè)備，由自動攪拌器和雙路數(shù)顯溫度計兩部分組成，其中——自動攪拌器包括上蓋板、下蓋板和二者之間的外壁，在下蓋板上安裝有一個減速電機，電機軸由下蓋板上的孔中向下穿出并與攪拌桿連接，減速電機上方的上蓋板上安裝排風扇，在外壁的下半部四周開有一組進風孔；——雙路數(shù)顯溫度計包括兩個溫度探頭，該溫度探頭將液體和環(huán)境溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化后經(jīng)線路傳輸給電壓表元件，電壓表元件輸出分成兩路，一路經(jīng)采樣與保持電路后電聯(lián)接雙向選擇開關(guān)中第二對觸點中的一個觸點、另一個觸點電聯(lián)接計時電路的輸出端，該輸出端同時經(jīng)反饋回路反饋到計時電路的歸零端，另一路經(jīng)連續(xù)采樣電路后電聯(lián)接雙向選擇開關(guān)中第一對觸點中的一個觸點、另一個觸點電聯(lián)接計時電路的輸出端，該輸出端同時經(jīng)反饋回路反饋到計時電路的計時端，雙向選擇開關(guān)的中間一對觸點分別電聯(lián)接溫度與時間顯示電路，計時電路的輸入端聯(lián)接時鐘電路的輸出端。
上述自動攪拌器的下蓋板的下方通過支撐柱連接一個兼作量熱筒蓋的絕熱板；自動攪拌器的攪拌桿呈“]”形。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果本發(fā)明實驗設(shè)備中的自動攪拌器提供了一個機械裝置，可以以每秒1周的勻速進行攪拌，代替實驗中左手的工作。該攪拌器特別設(shè)計的由排風扇和外壁組成的風路，可以進行有效的散熱；為了將誤差減到最小，又專門制作了10毫米的隔熱層，使熱量無法影響到實驗。這個裝置很好地解決了手動不均勻的問題，也減少了工作量，使實驗更加可靠易做。同時保留了溫度探測桿的插口，可以與雙路數(shù)顯溫度計結(jié)合起來使用。
本發(fā)明實驗設(shè)備中的雙路數(shù)顯溫度計利用LM35溫度元件感應溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過線性放大，經(jīng)電壓表顯示溫度數(shù)值，同時設(shè)計一個時鐘電路，從中引出秒信號，并用數(shù)碼管計時，每隔10秒引出一個脈沖信號，經(jīng)數(shù)字采樣保持電路控制定時輸出溫度信息，也可以連續(xù)測量溫度，由于采用雙通道顯示溫度，可提供三種數(shù)據(jù)的顯示時間，水溫和環(huán)境溫度，并且集中顯示，能同時記錄環(huán)境與液體兩組的溫度值，實現(xiàn)了對液體溫度、環(huán)境溫度、時間的集中測量，給實驗帶來了很大方便，學生可以方便的記錄所需的數(shù)據(jù)，解決了人為因素的誤差問題。另外它還提供了一個選擇按鍵，對水溫進行測量時可以選擇是以10秒為間隔顯示讀數(shù)，還是不間隔連續(xù)正常顯示，以供不同測量精度使用。同時由于能定時測量溫度，能使實驗時測量曲線平滑，精確。

圖1是本實驗設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實驗設(shè)備中自動攪拌器的剖面示意圖；圖3是本實驗設(shè)備中雙路數(shù)顯溫度計方框圖；圖4是本實驗設(shè)備中雙路數(shù)顯溫度計原理圖。
具體實施方式實施例1如圖1所示，圖中13為自動攪拌器，14液體溫度探頭，15雙路數(shù)顯溫度計，16環(huán)境溫度探頭。
如圖2所示，圖中1上蓋板、1.1電源開關(guān)1.2指示燈、2外壁、2.1進風孔、3指示燈電阻、4排風扇、5變壓器、6溫度計固定套、7繼電器、8減速電機、8.1固定螺絲、9下蓋板、10支撐柱(3個)、11絕熱板即隔熱層(兼作量熱筒蓋)、12攪拌桿。
本發(fā)明實驗設(shè)備中自動攪拌器13的核心動力由一個轉(zhuǎn)速為60(/min)的減速電機8提供，連接到下端呈“]”形的攪拌器，這樣設(shè)計攪拌器形狀是為了給冰塊讓出空間。連接的地方套上了隔熱材料，減少電機對攪拌器的熱量傳導。由于減速電機發(fā)熱量非常大，為了防止其對實驗的影響我們特別設(shè)計了散熱風扇。我們將風扇裝在電機上部。其風路不是由外向內(nèi)的吹風，而是由內(nèi)向外的排風，外壁下部的進風孔也是考慮了這種風路設(shè)計的。為配合風扇和指示燈的使用，內(nèi)部加裝了一個12V的變壓器，雖然這樣又增加了熱源，但是由于風路設(shè)計很成功，根據(jù)我們的實驗，在連續(xù)開機半小時以上，內(nèi)部溫度增加不超過3度。另外，為防止熱量透過下蓋板9，我們又在下部加裝了1cm的支撐柱10，使其上部懸空，相當于增加了一個空氣隔熱板。最后為溫度計探測桿預留了插孔，可以使兩部分很好的結(jié)合起來。
如圖3所示，本發(fā)明實驗設(shè)備中雙路數(shù)顯溫度計15包括兩個溫度探頭14、16，該溫度探頭將液體和環(huán)境溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化后經(jīng)線路傳輸給電壓表元件，電壓表元件輸出分成兩路，一路經(jīng)采樣與保持電路后電聯(lián)接雙向選擇開關(guān)中第二對觸點中的一個觸點、另一個觸點電聯(lián)接計時電路的輸出端，該輸出端同時經(jīng)反饋回路反饋到計時電路的歸零端，另一路經(jīng)連續(xù)采樣電路后電聯(lián)接雙向選擇開關(guān)中第一對觸點中的一個觸點、另一個觸點電聯(lián)接計時電路的輸出端，該輸出端同時經(jīng)反饋回路反饋到計時電路的計時端，雙向選擇開關(guān)的中間一對觸點分別電聯(lián)接溫度與時間顯示電路，計時電路的輸入端聯(lián)接時鐘電路的輸出端。
雙路數(shù)顯溫度計的工作原理(參見圖4)從兩個溫度探頭(LM35DZ)分別感應環(huán)境與液體雙路溫度，用電壓表元件(ICL7107)測量電壓的變化，并轉(zhuǎn)換成溫度量，用石英與CD4060BE、CD4040BE組成時鐘電路，并輸出秒信號，與10秒信號，用74HCT573組成采樣保持電路，當選擇1時，計時電路(由HEF4543BP、CD4518B、Mcl 4543BCP組成)顯示歸零，輸出連續(xù)的溫度數(shù)值，當選擇2時，計時電路開始計時，并且通過采樣保持電路，溫度每隔10秒定時顯示一次當前溫度值并保持。
權(quán)利要求
1.一種用于混合量熱法測量冰的溶解熱實驗的新型設(shè)備，其特征是該設(shè)備由自動攪拌器和雙路數(shù)顯溫度計兩部分組成，其中——自動攪拌器包括上蓋板、下蓋板和二者之間的外壁，在下蓋板上安裝有一個減速電機，電機軸由下蓋板上的孔中向下穿出并與攪拌桿連接，減速電機上方的上蓋板上安裝排風扇，在外壁的下半部四周開有一組進風孔；——雙路數(shù)顯溫度計包括兩個溫度探頭，該溫度探頭將液體和環(huán)境溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化后經(jīng)線路傳輸給電壓表元件，電壓表元件輸出分成兩路，一路經(jīng)采樣與保持電路后電聯(lián)接雙向選擇開關(guān)中第二對觸點中的一個觸點、另一個觸點電聯(lián)接計時電路的輸出端，該輸出端同時經(jīng)反饋回路反饋到計時電路的歸零端，另一路經(jīng)連續(xù)采樣電路后電聯(lián)接雙向選擇開關(guān)中第一對觸點中的一個觸點、另一個觸點電聯(lián)接計時電路的輸出端，該輸出端同時經(jīng)反饋回路反饋到計時電路的計時端，雙向選擇開關(guān)的中間一對觸點分別電聯(lián)接溫度與時間顯示電路，計時電路的輸入端聯(lián)接時鐘電路的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型設(shè)備，其特征是自動攪拌器的下蓋板的下方通過支撐柱連接一個兼作量熱筒蓋的絕熱板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型設(shè)備，其特征是自動攪拌器的攪拌桿呈“]”形。
全文摘要
一種用于混合量熱法測量冰的溶解熱實驗的新型設(shè)備。本發(fā)明由自動攪拌器和雙路數(shù)顯溫度計兩部分組成。自動攪拌器主要包括減速電機，攪拌桿和排風扇。雙路數(shù)顯溫度計包括兩個溫度探頭，電壓表元件，采樣與保持電路，雙向選擇開關(guān)，時鐘電路，計時電路和溫度與時間顯示電路構(gòu)成。本發(fā)明攪拌器可以以每秒1周的勻速進行攪拌，代替了手工操作，使實驗更加可靠易做。特別設(shè)計的風路和隔熱層，使熱量無法影響到實驗。雙路數(shù)顯溫度計采用雙通道顯示溫度，可提供三種數(shù)據(jù)的顯示時間，水溫和環(huán)境溫度，并且集中顯示，能同時記錄環(huán)境與液體兩組的溫度值，實現(xiàn)了對液體溫度、環(huán)境溫度、時間的集中測量，使實驗時測量曲線平滑，精確。
文檔編號G01N25/20GK1858584SQ20061001337
公開日2006年11月8日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者王展程, 左真濤, 沙志強 申請人:南開大學