用电加热方法测量液氮的汽化潜热

汪六九,何春娟,王 云,赵铁松

(1.中国人民大学物理学系,北京100872;2.北京化工大学物理系,北京100029)

1 引 言

测量液氮的汽化潜热在国内一些高校普物实验中开设[1-2].实验时要将室温下的铜块放入装在保温容器中的液氮中,液氮从铜块吸热而剧烈汽化,一直到铜块达到液氮温度.由于液氮汽化过程剧烈,测量数据波动大,实验中通常采用的秒表计时的动态称量法难以记录整个汽化过程[1-2].最近我们将计算机数据采集技术引入该实验,清晰地记录了液氮的汽化过程[3].但由于铜块加速液氮汽化的剧烈过程是在几十秒内完成的,这一瞬间过程的实验数据会剧烈波动,从而给数据处理带来一定的困难.为了使液氮的汽化过程能够在可控制、剧烈程度缓慢的条件下进行,本文中将采用电加热的方法,即通过浸入液氮中的通电电阻释放的热量来改善汽化程度,这既可以长时间实时观测液氮的汽化过程,又能比较准确地测量液氮的汽化潜热.

2 实验装置

图1和图2分别为用电加热方法测量液氮汽化潜热的实验装置照片和示意图。实验装置中的数据采集系统同文献[3],其中激励电压为直流5 V.电阻加热系统由5 W 20Ω电阻、1 000 m A直流恒流电源和DT9201数字万用表组成.为了准确计算加热电阻的功率,采用了四引线法,利用直流恒流电源提供电流,数字万用表测量通电电阻两端电压._________

图1 实验装置照片

图2 实验装置示意图

3 结果与讨论

重力传感器的定标过程是通过依次加质量为20 g砝码,测量输出电压U随时间t的变化,如图3所示.图4为由图3的实验数据得到的输出电压U随所加砝码质量m的变化曲线,从图4中可以看出重力传感器的线性输出非常好.输出电压U和砝码质量m的关系可由下式表示

式中Uo为传感器无负荷时的输出电压,K为斜率,即传感器输出灵敏度.用最小二乘法对图4曲线进行拟合,可得到 K=9.468×10-3V/g.

图3 重力传感器定标时输出电压U随时间t的变化

图4 重力传感器定标时输出电压U随所加砝码质量 m的变化

将液氮倒入开口的保温容器中,同时将与直流恒流电源和数字万用表相连接的加热电阻浸入液氮,待液氮汽化趋于平静后把保温容器置于传感器上,开始运行LabCo rder数据采集系统,记录实验全过程.图5为该实验过程结束时的计算机数据采集界面.图6所示为计算机数据采集系统所得到的液氮汽化过程中传感器输出电压U随时间t的变化曲线:ab为液氮从空气中吸收热量的自然汽化过程;点 b处开始直流恒流源输出I=701.6 m A给加热电阻通电,电阻两端电压U=14.89 V,从而可以得到通电电阻的功率 P=U I=10.45 W.电阻通电后,液氮汽化剧烈程度明显增强,即图6中曲线 bc较快幅度地下降,Δt=428 s后停止加热(点c处);随后液氮恢复自然汽化现象(曲线cd).

图6结果表明,电阻加热前后的自然汽化剧烈程度相同,传感器输出电压随时间减少的幅度相近,表现为图中曲线 ab和cd的拟合直线近似平行;液氮吸收加热电阻释放的焦耳热后,汽化程度明显增强,在加热功率恒定的条件下,传感器输出电压随时间线性减少(曲线bc).

图5 计算机数据采集界面

图6 液氮汽化过程中传感器输出电压U随时间t的变化

数据处理时可通过 t轴上电加热过程(曲线bc段)的中间时刻作垂线,该垂线与曲线 ab和cd的拟合平行直线分别相交于点e和f(见图6),通过点e和f对应的电压值得到ΔU=0.213 V,即Δt时间内由于吸收焦耳热而额外引起的重力传感器输出电压之差.因此,液氮由于吸收焦耳热而引起的质量减少量Δm=ΔU/K=22.50 g.

液体汽化时,从液体表面上跑出的分子(导致液体质量减少Δm)要克服液体表面分子对它的吸引力做功,故需吸收热量ΔQ.单位质量液体在一定温度下汽化所吸收的热量称为汽化潜热L,其计算公式为

通电电阻在电加热过程中释放的焦耳热为液氮汽化所需吸收的热量ΔQ,即

其中 P为通电电阻的功率,Δt为电加热时间.

结合式(2)和(3),通过计算得到的液氮的汽化潜热值为198.8 kJ/kg,与文献[4]给出的参考值198.64 kJ/kg十分接近.

尽管开口的保温容器中的液氮与外界大气相通,但由于通电电阻明显增强了液氮的汽化程度而导致液面的气体增多,而液面的气压增加会降低液氮的汽化速率,表现为图6中曲线cd的拟合直线斜率大小略小于曲线ab的拟合直线的斜率的大小,从而导致汽化潜热的测量值偏小.

4 结束语

本文将电加热方法用于测量液氮的汽化潜热实验中,并通过计算机数据采集技术准确地记录了液氮汽化的物理过程,得到了满意的实验结果.

[1] 沈元华,陆申龙.基础物理实验[M].北京:高等教育出版社,2003:135-137.

[2] 潘元胜,冯璧华,于瑶.大学物理实验(第二册)[M].南京:南京大学出版社,2001:45-49.

[3] 余建波,王瑗,陈民漙,等.用计算机数据采集系统测量液氮的汽化潜热[J].物理实验,2007,27(3):14-16.

[4] 阎守胜,陆果.低温物理实验的原理与方法[M].北京:科学出版社,1985:117