“燃烧热的测定”的改进及用Origin软件处理实验数据

易均辉，龚福忠

(1.广西现代职业技术学院资源工程系，广西 河池 547000；2.广西大学化学化工学院，广西 南宁 530004)

“燃烧热”的测定实验是大学物理化学实验中的重要内容之一。在实验教学过程中，对物质燃烧热的测定通常是采用氧弹燃烧热测定方法，该方法虽然可以对萘等有机物的燃烧热进行准确测定，但是却存在着成功率低，实验时间长的缺点，造成这一缺点的原因是点火方式不够理想，药品往往不能被引燃而完全燃烧。为了能够克服这些缺点，李森兰，钟红梅，张建策等人提出了一系列的改进意见[1~3]。但是这些改进措施都存在操作过程复杂，成功率不够高的缺点。为此，结合教学实际经验以及相关研究报道，我们对该实验进行了相应的实验技术改进探索，对引火丝与可燃物的接触面，火丝松动与坩埚接触情况关系进行了相应的技术改进。而对该实验的数据处理也仅仅是手工在方格纸上描点作图求取ΔT，既费时又容易引入误差，主观随意性大，致使结果重复性差，难以准确。因此寻找一种简便、更可靠的数据处理方法很有意义。目前 “燃烧热”的测定数据处理的报道比较少，陈旭红[4]提出用Origin软件的线性拟合和非线性曲线拟合进行处理，但处理过程比较复杂。因此我们采用Origin软件通过对实验数据绘制散点图，再进行线性拟合、内推和外推等方法，简便地获取了所需数据ΔT，并且由此计算得到的燃烧热与文献值相非常吻合。

1 燃烧热的测定

1.1 基本原理

氧弹量热计大体可分为两类：一类是环境恒温式，另一类是绝热式，本实验采用的是环境恒温式。该仪器是将可燃烧性物质在隔离体系中燃烧，从体系的温度升高值及体系的热容来计算燃烧热。被测物质在氧弹中完全燃烧所释放的燃量使氧弹本身及周围的介质和热量计有关的附件的温度升高。根据能量守恒定律，测量体系在燃烧前后温度的变化就可以求算该物质恒容燃烧热QV。其方程式如下：

式中QV为样品的恒容燃烧热；3000为量取水的体积； ρ是水的密度；C水是水的比热容；C计为量热计的水当量；ΔT为样品燃烧前后水温的变化；l丝和Q丝是引然用的燃烧丝的长度和单位长度的燃烧值；m棉和Q棉是引燃用的棉线的质量和燃烧值；m样和M是被测样品的质量和摩尔质量。则：

由于实验中不可避免地存在热交换，使得ΔT不能很准确地测定。实验通过雷诺温度校正曲线得到所需的ΔT。雷诺温度校正曲线是把燃烧前后所测得时间（t）温度（T）作图得到的曲线。

图1所示的曲线由于热量计向环境的热漏造成了温度的降低。图2所示的曲线由于试验装置的绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器功率较大，不断引进的能量使得曲线不出现极高温度点；可把A、B间的距离作为校正后的ΔT。将ΔT代入式（2）算出C计，再由 C计求出 QV，最后再根据 QP= QV+∑ vB（g）RT式计算出萘的恒压燃烧热值QP。

图1 体系散热的雷诺温度校正图

图2 体系吸热的雷诺温度校正图

1.2 实验方法的改进

针对该实验存在着成功率低，实验时间长的缺点，我们提出来了以下2点改进： （1） 增大引火丝与可燃物的接触面。为了使引火丝与可燃物接触面大为增加，我们将其绕成小圈状并贴在可燃物上方，提高点火成功率。（2）避免引火丝松动。由于引火丝很轻，有可能在装样过程因摇晃而造成引火丝松动，而与样品脱落，或与坩埚接触，为此我们将缠绕一根棉纱于引火丝上。

2 Origin处理数据

与Microsoft word、Excel等一样，Origin软件是一个多文档界面（Multiple Document Interface）的应用程序[5]。用Origin软件处理化学实验数据，不用编程,只要输入测量数据,然后再选择相应的菜单命令,点击相应的工具按钮，即可方便地进行有关计算、统计、作图、曲线拟合等处理，操作简便快速。它将用户所有的工作都保存在后缀为OPJ的工程文件（Project）中，一个工程文件可以包括多个子窗口，可以是工作表窗口（Worksheet）、绘图窗口（Graph）、函数图窗口（ Function Graph）、矩阵窗口（Matrix）、版面设计窗口（Layout Page）等。Origin软件的基本功能和一般用法简介Origin具有2大主要功能：数据绘图和数据分析。下面先以本实验数据为例主要介绍Origin其数据绘图功能。以下引用一组实验数据为例，见表1 所示。

表1 苯甲酸与萘在不同时间时的量热仪内水温的变化值

2.1 Origin绘图

启动Origin，在工作表中输入实验数据，添加新一列并右击其顶部，在文本框中输入相应的数据。先作苯甲酸雷诺温度校正曲线图，我们选取第一列和第二列数据，绘制直线+符号图。所得结果如图3(a)所示。选取点火前实验数据，即30~600 s段数据进行线性拟合，点击Origin工具栏里的Data selector，点击光标，按住Ctrl键移动到所需位置点，然后在分析栏选择线性拟合。出现图3(b)内容然后再选择数据菜单中选中linearFit5，再在分析菜单选中内推与外推工具，弹出窗口，改变最大值与最小值就得图3(c)；同理处理得上半段数据得到如图3(d)结果，再点击Origin工具栏里选取的Line Tool，按住shift画一水平和铅直直线，再选取Pointer移动工具，水平为虚线，中点位置，交于S曲线一点，见图3(e)；铅直直线就过这一点，会与外推线与内推线交于一点，见图3(f)；最后用Screen Reader读出坐标点，标于图中，最后再进行简单地处理得到最终图见图4所示。

图3 苯甲酸雷诺温度校正曲线形成过程图

图4 苯甲酸与萘的温度-时间变化关系的雷诺校正温度图

2.2 计算ΔT

计算苯甲酸ΔT=291.3831-289.9251=1.4580k；同理萘ΔT ′=1.7266k。与坐标纸处理值的结果差别见表2。

表2 不同方法所得ΔT

2.3 计算QP

已知：气压 102.49kPa，温度 18℃，QV= -26414J·g-1；Q丝= -2.9J·cm-1；Q棉= -16736J·g-1， ρ水=1.0g·mL-1；C水= 4.2J·g-1，实验中各物质消耗的量见表3。

表3 实验中各物质消耗的量

根据式（2），计算出QV最后转化成QP，即燃烧热△c Hm。对Origin处理及坐标纸处理获取的结果及文献数据对照，结果列于表4。

表4 不同方法处理结果及文献数据

3 结论

一方面通过实验方法改进，克服了成功率低，实验时间长的缺点，大大提高点火成功率，缩短了实验所需时间。另一方面使用Origin软件处理实验数据，一般仅需10min即可完成，同时能够符合实验的要求，从结果来看，绝对误差非常小，相对误仅为0.022% ，较手工绘图误差缩小近4.5倍。因此， 运用该软件处理实验数据方便快捷, 科学精确。对于物理化学的其它实验具有指导作用，如纯液体饱和蒸气压的测定；电导法测定乙酸乙酯在碱性条件下的水解反应；二组分气一液平衡相图；测定表面张力实验中都有应用[6~9]。

[1] 李森兰，杜巧云，王保玉.燃烧热测定实验研究[J].大学化学，2001，16（1）：51.

[2] 钟红梅.氧弹式量热法测定燃烧焓实验的改进[J].科技信息 (学术研究 )，2008，（15）：72.

[3] 张建策，毛力新.燃烧热测定实验的进一步改进[J].化工技术与开发，2005，34（6）：43-44.

[4] 陈旭红.用Origin软件的线性拟合和非线性曲线拟合功能处理实验数据[J].江苏技术师范学院学报，2006，12（6）：85-90.

[5] 叶卫平，方安平，等.Origin 7.0科技绘图及数据分析[M].北京：北京机械工业出版社，2003.

[6] 易均辉，莫惠媚，龚福忠，等.巧用Origin软件处理物理化学实验数据[J].实验室研究与探索，2009，29（8）：56-69.

[7] 谢祖芳.用Origin处理溶液表面张力实验数据[J].中国砚代教育装备，2007, 49（3）：49-51.

[8] 闫宗兰. 石军，尹立辉，等.Origin 软件在“双液系气—液平衡相图”实验数据处理中的应用[J].天津农学院学报，2007，14（2）：30-32.