專利名稱：一種用于混合量熱法測(cè)量冰的溶解熱實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混合量熱法測(cè)量冰的溶解熱實(shí)驗(yàn)是國(guó)內(nèi)高校物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課中的一項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也是相關(guān)理工科專業(yè)大學(xué)物理課程中必修的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。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(gè)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(shí)驗(yàn)過程中所傳遞的熱量Q是可以由其溫度的改變?chǔ)う燃捌錈崛軨S計(jì)算出來的Q＝CSΔθ。于是待測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中所傳遞的熱量即可求得。
對(duì)測(cè)量冰的溶解熱的實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)條件下，冰的熔點(diǎn)可認(rèn)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(yàn)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(cè)量的數(shù)據(jù)為1.實(shí)驗(yàn)用水質(zhì)量m；
2.量熱器內(nèi)筒質(zhì)量m1；3.溫度計(jì)浸在水中的體積V；4.初溫θ1和末溫θ2；5.根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)行的這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)，物理天平，秒表，小量筒，冰塊，干布，熱水。
現(xiàn)有設(shè)備的一個(gè)重大問題在于其測(cè)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(yàn)時(shí)，一般操作動(dòng)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(jì)之間交換讀數(shù)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。這個(gè)過程中可產(chǎn)生的誤差有1.手動(dòng)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(jì)之間交換，師傅變化大，從讀數(shù)到記錄將產(chǎn)生時(shí)間上的誤差，從而造成數(shù)據(jù)的誤差。
另外，目前一般實(shí)驗(yàn)室安排的對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量為全室共用一臺(tái)溫度計(jì)，不能準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)者周圍的溫度變化情況，故而環(huán)境溫度的測(cè)量也是不盡準(zhǔn)確的。
可以看到由于操作動(dòng)作過多，學(xué)生在過程中經(jīng)常會(huì)漏讀數(shù)據(jù)，造成前面的準(zhǔn)備工作無效，須重新測(cè)量，而物理天平的使用又是很耗費(fèi)時(shí)間的，從而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)課時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備需實(shí)驗(yàn)者用手?jǐn)嚢鑼?dǎo)致攪拌均勻性差，造成溶解的不均勻，存在誤差，以及操作動(dòng)作過多，學(xué)生在過程中經(jīng)常會(huì)漏讀數(shù)據(jù)，造成前面的準(zhǔn)備工作無效，須重新測(cè)量，從而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)課時(shí)間的問題，提供一種用于混合量熱法測(cè)量冰的溶解熱實(shí)驗(yàn)的新型設(shè)備。
本發(fā)明提供的用于混合量熱法測(cè)量冰的溶解熱實(shí)驗(yàn)的新型設(shè)備，由自動(dòng)攪拌器和雙路數(shù)顯溫度計(jì)兩部分組成，其中——自動(dòng)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(gè)減速電機(jī)，電機(jī)軸由下蓋板上的孔中向下穿出并與攪拌桿連接，減速電機(jī)上方的上蓋板上安裝排風(fēng)扇，在外壁的下半部四周開有一組進(jìn)風(fēng)孔；——雙路數(shù)顯溫度計(jì)包括兩個(gè)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(duì)觸點(diǎn)中的一個(gè)觸點(diǎn)、另一個(gè)觸點(diǎn)電聯(lián)接計(jì)時(shí)電路的輸出端，該輸出端同時(shí)經(jīng)反饋回路反饋到計(jì)時(shí)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(duì)觸點(diǎn)中的一個(gè)觸點(diǎn)、另一個(gè)觸點(diǎn)電聯(lián)接計(jì)時(shí)電路的輸出端，該輸出端同時(shí)經(jīng)反饋回路反饋到計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)端，雙向選擇開關(guān)的中間一對(duì)觸點(diǎn)分別電聯(lián)接溫度與時(shí)間顯示電路，計(jì)時(shí)電路的輸入端聯(lián)接時(shí)鐘電路的輸出端。
上述自動(dòng)攪拌器的下蓋板的下方通過支撐柱連接一個(gè)兼作量熱筒蓋的絕熱板；自動(dòng)攪拌器的攪拌桿呈“]”形。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的自動(dòng)攪拌器提供了一個(gè)機(jī)械裝置，可以以每秒1周的勻速進(jìn)行攪拌，代替實(shí)驗(yàn)中左手的工作。該攪拌器特別設(shè)計(jì)的由排風(fēng)扇和外壁組成的風(fēng)路，可以進(jìn)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(shí)驗(yàn)。這個(gè)裝置很好地解決了手動(dòng)不均勻的問題，也減少了工作量，使實(shí)驗(yàn)更加可靠易做。同時(shí)保留了溫度探測(cè)桿的插口，可以與雙路數(shù)顯溫度計(jì)結(jié)合起來使用。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的雙路數(shù)顯溫度計(jì)利用LM35溫度元件感應(yīng)溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過線性放大，經(jīng)電壓表顯示溫度數(shù)值，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘電路，從中引出秒信號(hào)，并用數(shù)碼管計(jì)時(shí)，每隔10秒引出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)數(shù)字采樣保持電路控制定時(shí)輸出溫度信息，也可以連續(xù)測(cè)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(shí)間，水溫和環(huán)境溫度，并且集中顯示，能同時(shí)記錄環(huán)境與液體兩組的溫度值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體溫度、環(huán)境溫度、時(shí)間的集中測(cè)量，給實(shí)驗(yàn)帶來了很大方便，學(xué)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(gè)選擇按鍵，對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量時(shí)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(cè)量精度使用。同時(shí)由于能定時(shí)測(cè)量溫度，能使實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量曲線平滑，精確。

圖1是本實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)驗(yàn)設(shè)備中自動(dòng)攪拌器的剖面示意圖；圖3是本實(shí)驗(yàn)設(shè)備中雙路數(shù)顯溫度計(jì)方框圖；圖4是本實(shí)驗(yàn)設(shè)備中雙路數(shù)顯溫度計(jì)原理圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1如圖1所示，圖中13為自動(dòng)攪拌器，14液體溫度探頭，15雙路數(shù)顯溫度計(jì)，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(jìn)風(fēng)孔、3指示燈電阻、4排風(fēng)扇、5變壓器、6溫度計(jì)固定套、7繼電器、8減速電機(jī)、8.1固定螺絲、9下蓋板、10支撐柱(3個(gè))、11絕熱板即隔熱層(兼作量熱筒蓋)、12攪拌桿。
本發(fā)明實(shí)驗(yàn)設(shè)備中自動(dòng)攪拌器13的核心動(dòng)力由一個(gè)轉(zhuǎn)速為60(/min)的減速電機(jī)8提供，連接到下端呈“]”形的攪拌器，這樣設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)攪拌器的熱量傳導(dǎo)。由于減速電機(jī)發(fā)熱量非常大，為了防止其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響我們特別設(shè)計(jì)了散熱風(fēng)扇。我們將風(fēng)扇裝在電機(jī)上部。其風(fēng)路不是由外向內(nèi)的吹風(fēng)，而是由內(nèi)向外的排風(fēng)，外壁下部的進(jìn)風(fēng)孔也是考慮了這種風(fēng)路設(shè)計(jì)的。為配合風(fēng)扇和指示燈的使用，內(nèi)部加裝了一個(gè)12V的變壓器，雖然這樣又增加了熱源，但是由于風(fēng)路設(shè)計(jì)很成功，根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，在連續(xù)開機(jī)半小時(shí)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(dāng)于增加了一個(gè)空氣隔熱板。最后為溫度計(jì)探測(cè)桿預(yù)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(shí)驗(yàn)設(shè)備中雙路數(shù)顯溫度計(jì)15包括兩個(gè)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(duì)觸點(diǎn)中的一個(gè)觸點(diǎn)、另一個(gè)觸點(diǎn)電聯(lián)接計(jì)時(shí)電路的輸出端，該輸出端同時(shí)經(jīng)反饋回路反饋到計(jì)時(shí)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(duì)觸點(diǎn)中的一個(gè)觸點(diǎn)、另一個(gè)觸點(diǎn)電聯(lián)接計(jì)時(shí)電路的輸出端，該輸出端同時(shí)經(jīng)反饋回路反饋到計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)端，雙向選擇開關(guān)的中間一對(duì)觸點(diǎn)分別電聯(lián)接溫度與時(shí)間顯示電路，計(jì)時(shí)電路的輸入端聯(lián)接時(shí)鐘電路的輸出端。
雙路數(shù)顯溫度計(jì)的工作原理(參見圖4)從兩個(gè)溫度探頭(LM35DZ)分別感應(yīng)環(huán)境與液體雙路溫度，用電壓表元件(ICL7107)測(cè)量電壓的變化，并轉(zhuǎn)換成溫度量，用石英與CD4060BE、CD4040BE組成時(shí)鐘電路，并輸出秒信號(hào)，與10秒信號(hào)，用74HCT573組成采樣保持電路，當(dāng)選擇1時(shí)，計(jì)時(shí)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(dāng)選擇2時(shí)，計(jì)時(shí)電路開始計(jì)時(shí)，并且通過采樣保持電路，溫度每隔10秒定時(shí)顯示一次當(dāng)前溫度值并保持。
權(quán)利要求
1.一種用于混合量熱法測(cè)量冰的溶解熱實(shí)驗(yàn)的新型設(shè)備，其特征是該設(shè)備由自動(dòng)攪拌器和雙路數(shù)顯溫度計(jì)兩部分組成，其中——自動(dòng)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(gè)減速電機(jī)，電機(jī)軸由下蓋板上的孔中向下穿出并與攪拌桿連接，減速電機(jī)上方的上蓋板上安裝排風(fēng)扇，在外壁的下半部四周開有一組進(jìn)風(fēng)孔；——雙路數(shù)顯溫度計(jì)包括兩個(gè)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(duì)觸點(diǎn)中的一個(gè)觸點(diǎn)、另一個(gè)觸點(diǎn)電聯(lián)接計(jì)時(shí)電路的輸出端，該輸出端同時(shí)經(jīng)反饋回路反饋到計(jì)時(shí)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(duì)觸點(diǎn)中的一個(gè)觸點(diǎn)、另一個(gè)觸點(diǎn)電聯(lián)接計(jì)時(shí)電路的輸出端，該輸出端同時(shí)經(jīng)反饋回路反饋到計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)端，雙向選擇開關(guān)的中間一對(duì)觸點(diǎn)分別電聯(lián)接溫度與時(shí)間顯示電路，計(jì)時(shí)電路的輸入端聯(lián)接時(shí)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(dòng)攪拌器的下蓋板的下方通過支撐柱連接一個(gè)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(dòng)攪拌器的攪拌桿呈“]”形。
全文摘要
一種用于混合量熱法測(cè)量冰的溶解熱實(shí)驗(yàn)的新型設(shè)備。本發(fā)明由自動(dòng)攪拌器和雙路數(shù)顯溫度計(jì)兩部分組成。自動(dòng)攪拌器主要包括減速電機(jī)，攪拌桿和排風(fēng)扇。雙路數(shù)顯溫度計(jì)包括兩個(gè)溫度探頭，電壓表元件，采樣與保持電路，雙向選擇開關(guān)，時(shí)鐘電路，計(jì)時(shí)電路和溫度與時(shí)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(jìn)行攪拌，代替了手工操作，使實(shí)驗(yàn)更加可靠易做。特別設(shè)計(jì)的風(fēng)路和隔熱層，使熱量無法影響到實(shí)驗(yàn)。雙路數(shù)顯溫度計(jì)采用雙通道顯示溫度，可提供三種數(shù)據(jù)的顯示時(shí)間，水溫和環(huán)境溫度，并且集中顯示，能同時(shí)記錄環(huán)境與液體兩組的溫度值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體溫度、環(huán)境溫度、時(shí)間的集中測(cè)量，使實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量曲線平滑，精確。
文檔編號(hào)G01N25/20GK1858584SQ20061001337
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)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(qiáng) 申請(qǐng)人:南開大學(xué)