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        基于熱力學(xué)原理的自動(dòng)調(diào)節(jié)水位裝置設(shè)計(jì)

        2015-07-03 09:44:46蘇錫國(guó)黃語嫣徐赫駿
        大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        蘇錫國(guó),黃語嫣,徐赫駿

        (沈陽建筑大學(xué),遼寧沈陽 110168)

        1 設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)圖

        裝置主要利用氣體受熱膨脹受冷收縮原理。

        圖1 原理圖

        由理想氣體方程式:可知,瓶中氣體在物質(zhì)的量一定,體積一定的條件下,當(dāng)溫度升高時(shí),瓶中壓強(qiáng)在溫度與瓶中蒸騰的水蒸氣共同作用下而增大。而當(dāng)瓶中氣壓增大到一定程度時(shí),會(huì)將水持續(xù)壓入左側(cè)燒杯中。這一加熱過程中,由于溫度一直在升高,水能夠不斷地經(jīng)橡膠管流入燒杯。當(dāng)左側(cè)燒杯重量大于右側(cè)裝置重量時(shí),根據(jù)杠桿原理,盛有左側(cè)燒杯的蝴蝶夾會(huì)在重力的作用下下沉,使右側(cè)球形燒瓶上升相應(yīng)高度,慢慢離開酒精燈火焰,而繼續(xù)的加熱會(huì)使右側(cè)球形燒瓶中的水全部壓入左側(cè)。待燒瓶離開熱源,右側(cè)燒瓶中溫度降低,在氣體體積收縮與水蒸氣液化的作用下,瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小。從而右側(cè)壓強(qiáng)小于左側(cè)大氣壓以及克服左側(cè)水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)時(shí),水就會(huì)被倒吸回來。當(dāng)右側(cè)燒瓶中的水達(dá)到一定質(zhì)量時(shí),通過杠桿,右側(cè)蝴蝶夾再次由于重力的作用下下沉,使左側(cè)燒杯上升一定高度,使上面的導(dǎo)管形成一個(gè)角度,由于慣性,倒吸過程會(huì)持續(xù)到左側(cè)燒杯中的水全部倒吸回右側(cè)。

        2 裝置實(shí)驗(yàn)分析

        2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        用鐵架臺(tái)充當(dāng)中桿支架,右側(cè)用一個(gè)套在鐵架臺(tái)上的鐵圈固定裝有水的球形燒瓶,通過連接在鐵架臺(tái)上的簡(jiǎn)易支架支撐由蝴蝶夾做成的杠桿,由蝴蝶夾連接燒杯,用橡膠管與玻璃管連接左右兩個(gè)容器,右側(cè)球形燒瓶用橡膠塞塞緊,在其中一端橡膠塞中放入溫度計(jì)且不能接觸到水面,并將橡膠管下面有細(xì)玻璃管的一段伸入水面下,將球形燒瓶用酒精燈加熱,適當(dāng)調(diào)整火焰距離和固定所用的鐵圈高度,待裝置組裝好后加熱酒精燈,開始實(shí)驗(yàn)并記錄用水量和溫度及所用時(shí)間。

        節(jié)省時(shí)間,所用水源為80毫升溫水。倒入水后,塞緊裝置,保證密閉不透氣。同時(shí)注意,要使細(xì)玻璃管伸入到球形瓶液面下,使橡膠管自然到達(dá)燒杯底部。

        2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        本次實(shí)驗(yàn)共做出四組數(shù)據(jù)。

        表1 水80 mL距離熱源近0 cm

        圖2 時(shí)間-溫度曲線

        通過圖2可以看出,隨著酒精燈的加熱,氣體溫度升高,當(dāng)溫度達(dá)到72℃時(shí),右側(cè)燒瓶中的水全部流入左側(cè)燒杯中。隨之移出酒精燈,左側(cè)燒瓶中的水會(huì)立即倒吸回去。

        表2 水80 mL距離熱源近0 cm

        圖3 時(shí)間-溫度曲線

        在改變水溫之后,我們用同樣80 mL的水進(jìn)行試驗(yàn)。由圖3可得,當(dāng)溫度達(dá)到73℃之后,水會(huì)倒吸回去。

        表3 水80 mL距離熱源遠(yuǎn)5 cm

        圖4 時(shí)間-溫度曲線

        在實(shí)驗(yàn)中增溫的基礎(chǔ)上,改變了距離熱源距離。發(fā)現(xiàn)溫度的增長(zhǎng)速率有所降低,最高點(diǎn)溫度也升高了一些(圖4)。

        表4 水80 mL距離熱源遠(yuǎn)5 cm

        圖5 時(shí)間-溫度曲線

        與實(shí)驗(yàn)三(圖5)對(duì)比,當(dāng)和熱源保持一定距離時(shí),水溫增大,會(huì)使溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)即溫度的變化率會(huì)減小,升溫過程會(huì)較之前緩慢。

        3 結(jié) 論

        (1)本裝置利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)儀器,基于熱力學(xué)原理,具有方便、實(shí)用、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。整個(gè)過程自動(dòng)進(jìn)行,無需移開熱源,省時(shí)省力。

        (2)本裝置也存在一些缺陷:由于儀器限制,酒精燈的加熱效率不高,延長(zhǎng)了加熱時(shí)間及實(shí)驗(yàn)時(shí)間。同時(shí)裝置對(duì)環(huán)境溫度依賴較高,需要控制一定的外界因素。

        (3)進(jìn)行的四組實(shí)驗(yàn)反映出,水溫與距熱源距離對(duì)于裝置加熱效率的影響,為裝置的最有效應(yīng)用做出了一定貢獻(xiàn)。同時(shí),通過圖像,可以直觀地反映出熱力學(xué)原理在本裝置中的應(yīng)用。

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        [3] 李椿,章立源.錢尚武,熱學(xué)[M].北京:人民教育出版社,1982:39-45.

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