基于热力学原理的自动调节水位装置设计

苏锡国，黄语嫣，徐赫骏

(沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168)

1 设计原理与设计图

装置主要利用气体受热膨胀受冷收缩原理。

图1 原理图

由理想气体方程式:可知，瓶中气体在物质的量一定，体积一定的条件下，当温度升高时，瓶中压强在温度与瓶中蒸腾的水蒸气共同作用下而增大。而当瓶中气压增大到一定程度时，会将水持续压入左侧烧杯中。这一加热过程中，由于温度一直在升高，水能够不断地经橡胶管流入烧杯。当左侧烧杯重量大于右侧装置重量时，根据杠杆原理，盛有左侧烧杯的蝴蝶夹会在重力的作用下下沉，使右侧球形烧瓶上升相应高度，慢慢离开酒精灯火焰，而继续的加热会使右侧球形烧瓶中的水全部压入左侧。待烧瓶离开热源，右侧烧瓶中温度降低，在气体体积收缩与水蒸气液化的作用下，瓶内压强减小。从而右侧压强小于左侧大气压以及克服左侧水柱产生的压强时，水就会被倒吸回来。当右侧烧瓶中的水达到一定质量时，通过杠杆，右侧蝴蝶夹再次由于重力的作用下下沉，使左侧烧杯上升一定高度，使上面的导管形成一个角度，由于惯性，倒吸过程会持续到左侧烧杯中的水全部倒吸回右侧。

2 装置实验分析

2．1 实验准备

用铁架台充当中杆支架，右侧用一个套在铁架台上的铁圈固定装有水的球形烧瓶，通过连接在铁架台上的简易支架支撑由蝴蝶夹做成的杠杆，由蝴蝶夹连接烧杯，用橡胶管与玻璃管连接左右两个容器，右侧球形烧瓶用橡胶塞塞紧，在其中一端橡胶塞中放入温度计且不能接触到水面，并将橡胶管下面有细玻璃管的一段伸入水面下，将球形烧瓶用酒精灯加热，适当调整火焰距离和固定所用的铁圈高度，待装置组装好后加热酒精灯，开始实验并记录用水量和温度及所用时间。

节省时间，所用水源为80毫升温水。倒入水后，塞紧装置，保证密闭不透气。同时注意，要使细玻璃管伸入到球形瓶液面下，使橡胶管自然到达烧杯底部。

2．2 实验数据分析

本次实验共做出四组数据。

表1 水80 mL距离热源近0 cm

图2 时间-温度曲线

通过图2可以看出，随着酒精灯的加热，气体温度升高，当温度达到72℃时，右侧烧瓶中的水全部流入左侧烧杯中。随之移出酒精灯，左侧烧瓶中的水会立即倒吸回去。

表2 水80 mL距离热源近0 cm

图3 时间-温度曲线

在改变水温之后，我们用同样80 mL的水进行试验。由图3可得，当温度达到73℃之后，水会倒吸回去。

表3 水80 mL距离热源远5 cm

图4 时间-温度曲线

在实验中增温的基础上，改变了距离热源距离。发现温度的增长速率有所降低，最高点温度也升高了一些(图4)。

表4 水80 mL距离热源远5 cm

图5 时间-温度曲线

与实验三(图5)对比，当和热源保持一定距离时，水温增大，会使温度对时间的导数即温度的变化率会减小，升温过程会较之前缓慢。

3 结 论

(1)本装置利用简单的实验仪器，基于热力学原理，具有方便、实用、操作简单等特点。整个过程自动进行，无需移开热源，省时省力。

(2)本装置也存在一些缺陷:由于仪器限制，酒精灯的加热效率不高，延长了加热时间及实验时间。同时装置对环境温度依赖较高，需要控制一定的外界因素。

(3)进行的四组实验反映出，水温与距热源距离对于装置加热效率的影响，为装置的最有效应用做出了一定贡献。同时，通过图像，可以直观地反映出热力学原理在本装置中的应用。

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