低成本改进一种简易测定水的汽化热实验装置

李金英，刘 霜，王 萌，杨雨馨

(吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

大学物理实验是物理学专业重要的实践课程，而水的汽化热实验更是培养学生动手能力和物理基本测量技巧的重要实验之一. 目前常见的测量水的汽化热的实验装置有多种[1-4]，但有的装置由于购置成本较高且全部数字化，虽然用起来简单高效，但难以达到让学生亲自动手操作和设计实验的目的；有的实验装置由于传输蒸汽的管道过长，蒸汽在管道中散热造成热损失，给实验带来误差；还有的装置装在接取蒸汽中带入了液化的水滴等因素影响，导致测量结果和公认值有较大偏差[5-7]. 在当今素质教育背景下，为使学生真正参与到实验课堂，本文利用实验室现有装置和资源，对水的汽化热实验的操作和影响实验结果准确度的因素展开深入探究，并结合研究结果，改进了实验教学装置，新的装置可以有效减小由实验中的热损失以及蒸汽凝结等因素引入的测量误差，实验精确度得到大幅提升，为大学物理实验装置改进提供了一种新思路和方法.

1 实验原理

物质由液态转化为气态的过程，称为汽化，汽化时液体吸收热量，水的汽化热是指单位质量的水在相同温度下汽化为水蒸气时吸收的热量. 在相同条件下，相同质量的液体汽化时吸收的热量和液化时放出的热量相等，如式(1)所示：

mL+m(t2-t0)c0= (m0c0+m1c1+C′)(t0-t1)

(1)

式中m为水蒸气的质量，单位为g；L为水蒸气的汽化热，单位为J/kg；m0为冷水的质量，单位为g；t1为冷水温度，单位为℃；t2为蒸汽温度，单位为℃；t0为蒸汽进入冷水混合后水的温度，单位为℃；c0为水的比热容，单位为J/(kg·℃)；m1为铝筒和铝制搅拌器的总质量，单位为g；c1为铝的比热容，单位为J/(kg·℃)；C′为温度计插入水中部分的热容，单位为J/℃，其大小可以用式(2)计算[8]：

C′ =1.9V

(2)

式中V为温度计插入水中部分的体积，以cm-3为单位，算出的结果再乘以1.9，即为温度计在水中部分的热容.

本实验就是通过测量凝结过程放出的热量来计算出水的汽化热. 实验可以利用混合法进行测量，即：将一定温度的水蒸气通入一定质量的冷水中，测定冷水温度及质量的变化，即可通过式(3)计算出水的汽化热：

L=(m0c0+m1c1+C′)(t0-t1)/m-(t2-t0)c0

(3)

2 实验装置及其改进思路

传统的水蒸气汽化热测定实验装置如图1(a)所示.从蒸汽发生器A出来的蒸汽，经过简易蒸汽过滤器B将蒸汽中的小水滴分离出之后，通过玻璃导管进入量热器C. 在量热器中蒸汽与冷水接触发生凝结，放出的热量使量热器及其中的水温度升高. 但是在实际实验操作过程中，会发现简易蒸汽过滤器B中液体很快盛满，另外，蒸汽在进入量热器之前，由于玻璃导管较长，温度相对水蒸气更低，因此会发生冷凝现象，冷凝水会随着蒸汽与导管进入量热器，因此导致其测量准确度下降. 同时该传统装置中的蒸汽温度被人为设定为100 ℃，而因为海拔气压不同，实际水蒸气的沸点会有所差异，因此也会引入一定固定误差.

针对上述问题，本文通过改变蒸汽过滤器形式、改变蒸汽导管进入量热器角度、给蒸汽导管增加电加热套的方法，对上述可能引起测量误差的环节进行改变，具体如图1(b)所示. 采用四口瓶蒸汽过滤器替代原来的蒸汽过滤器. 四口瓶下装有阀门和导管，可以及时排出过多的冷凝水；四口瓶上部装有温度计，可以准确读出实时的蒸汽温度，以减少系统误差；出气玻璃管进入量热器前部分采用可调温电加热套包裹，采用电加热提高玻璃管温度，减少水蒸气凝结量，同时玻璃导管采用倾斜设置，少量凝结水汽也不会进入量热器干扰测量.

3 实验结果与讨论

为了验证上述改进装置效果，对上述两种实验装置分别进行了水蒸气汽化热的测量，并对结果进行了比对.具体实验步骤如下：首先，测量量热器中铝筒和搅拌器(铝制)的总质量m1，向铝筒中加入其3/4体积的冷水，冷水要求低于室温5 ℃以上，然后测量出其总质量m2，则铝筒中冷水的质量为m0=m2-m1；将量热器组装完毕，利用量热器上的温度计读出冷水的温度t1.用酒精灯给装有水的烧瓶加热，产生水蒸气，待水蒸气从玻璃管稳定喷出5～10 min后，由四口瓶上的温度计读出水蒸气温度t2，然后将玻璃管通入量热器中，并不断搅拌，待温度升高至高于室温5 ℃左右时，移出蒸汽导管，而量热器继续搅拌，直至温度不再上升，读出其温度t0.然后取出量热器的铝筒测量出总质量m3，该质量包含了铝筒、搅拌器、水和进入的水蒸气的总质量.

图1 改进前和改进后的实验装置对比图

用游标卡尺测量出温度计在水中部分的直径d，温度计上套有一细小的彩色橡皮筋，待质量和温度全部测量完后，观察温度计在水中的水印，然后将橡皮筋移动到水印位置，用游标卡尺测量出插入水中部分的长度，测量6次.则温度计的C′可以通过式(2)求出.将上述测量结果带入式(3)即可计算出水的汽化热.

通过上述实验，首先观察到，加装电加热套前，通水蒸气30 s内，冷凝水流出量为7～8滴，而加装电加热套后，30 s内蒸汽冷凝的水滴数量降为1滴. 5组同学的真实实验结果如表1和表2所示，改进前实验数据为表1，而实验装置改进后具体实验结果如表2所示.

表1 改进前装置实验数据

续表

表2 改进后装置实验数据

由5组平行实验数据结果对比可见，改进前实验装置的测量结果与公认值相对偏差为6.58%～10.04%，而改进后的实验装置，该偏差在0.53%至2.66%之间，均在3%允许范围以内，达到了更好的实验效果. 实验结果也验证了装置改进后，因为获得了实验条件下蒸汽真实的温度数据，进而降低了之前将蒸汽温度统一设定为100 ℃而产生的系统误差；另外电加热套的升温保温功能使得蒸汽冷凝量明显下降，倾斜导管也避免了大量冷凝水进入量热器，进而降低了其对实验结果产生的偶然误差. 因此，本实验装置的改进虽然廉价简单，但对水汽化热测定实验的准确度提高及系统误差降低的帮助是非常明显的.

但是通过实验也发现：首先，蒸汽温度虽然在四口瓶蒸汽过滤器中进行了读取，获得了实验条件下的蒸汽温度，但该温度和水蒸气进入量热器时的真实温度仍有一定差别，仍会引入部分系统误差；其次，蒸汽玻璃管虽然因为倾斜角度和增加电加热套的原因，冷凝流出的水量进入量热器的很少，但也不会完全消失，因此实验中水蒸气质量也会因为蒸汽冷凝而产生系统误差，可见，如何进一步减少冷凝水进入量热器的质量，是提高水汽化热测定实验准确度和精度的重要方面.

4 结束语

本研究针对大学物理实验水的汽化热测定装置进行了改进，通过引入新型蒸汽过滤器、改变蒸汽导管进入量热器的角度、在蒸汽导管外增加电加热套的方法，大幅度降低了实验装置的系统误差和偶然误差，与未改造前的实验装置相比，相同条件下测定的水的汽化热与公认值相比，其相对误差从未改造前的6.58%～10.04%，下降为0.53%～2.66%. 该实验装置具有结构紧凑、测量准确率较高、成本较低、简易可靠、使用方便等优点，在培养学生实践能力的同时，还可以使学生更加深入的理解本实验的原理、改进原则及实验过程，进而培养学生的合作意识、勤俭作风和创新精神，有效提高了大学物理实验课堂的教学效果.