吳龍忠
摘?要:汽車空調(diào)用制冷劑是一種環(huán)保型制冷劑,通過自制降壓管,將液態(tài)制冷劑引入真空保溫玻璃杯內(nèi),制冷劑發(fā)生節(jié)流膨脹,杯內(nèi)溫度急劇下降.利用類似原理制作教具可以先做水凝固實(shí)驗(yàn)再做冰熔化實(shí)驗(yàn).為了保證水受冷均勻、減小實(shí)驗(yàn)誤差、保護(hù)試管和溫度計(jì)不被凍碎,筆者通過醫(yī)用注射器和輸液管連接金屬毛細(xì)管在水受冷過程中向水中注射氣泡,對(duì)試管內(nèi)的水進(jìn)行“攪拌”.透過真空保溫玻璃杯壁可以直觀地觀察到試管內(nèi)水的凝固過程.
關(guān)鍵詞:環(huán)保型制冷劑;快速制冷;新材料;自制教具
文章編號(hào):1008-4134(2019)18-0017中圖分類號(hào):G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
冰的熔化實(shí)驗(yàn)既是初中物理教學(xué)中的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),也是難點(diǎn)實(shí)驗(yàn).傳統(tǒng)獲取冰的方法有三種:一是利用冰箱制冰.課前將水放入冰箱內(nèi)冷凍,待水凝固后將冰取出,然后對(duì)冰塊采取保溫措施,上課時(shí)將冰帶到教室粉碎后裝入試管,并在試管內(nèi)插入溫度計(jì)顯示冰融化時(shí)的溫度;二是利用低溫的酒精或食鹽水制冰.課前利用冰箱對(duì)酒精或食鹽水進(jìn)行冷凍,然后將低溫的酒精或食鹽水裝入保溫裝置中,將水裝入試管并在試管內(nèi)插入溫度計(jì),再將試管投入低溫的酒精或食鹽水中進(jìn)行冷凍,待試管內(nèi)的水凝固后取出試管,進(jìn)行冰的熔化實(shí)驗(yàn)演示;三是使用干冰制冰.將水裝入試管并在試管內(nèi)插入溫度計(jì),再將試管放入盛放干冰的容器內(nèi)(提前準(zhǔn)備好干冰)進(jìn)行冷凍,待試管內(nèi)的水凝固后,從試管內(nèi)取出冰塊,再進(jìn)行冰的熔化實(shí)驗(yàn)演示.采用以上傳統(tǒng)方法開展冰的熔化實(shí)驗(yàn)不僅操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、課堂效率低,而且描繪冰熔化的溫度曲線時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,往往出現(xiàn)冰熔化時(shí)溫度計(jì)示數(shù)低于0℃的現(xiàn)象.為了解決以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難題,筆者自制了水的凝固與冰的熔化實(shí)驗(yàn)演示儀,使用自制的降壓管配合其他附件將汽車空調(diào)使用的環(huán)保型制冷劑(化學(xué)成分為四氟乙烷,具有良好的安全性能,不易燃,不爆炸,無毒,無刺激性,無腐蝕性)引入真空保溫玻璃杯內(nèi),發(fā)生節(jié)流膨脹,快速降溫,獲得低溫環(huán)境,安全高效地開展水凝固及冰熔化實(shí)驗(yàn).
1?演示儀優(yōu)點(diǎn)
快速制冷:可以在5秒內(nèi)獲得零下26℃的低溫環(huán)境,可以在2分鐘內(nèi)快速制冰;
透過真空保溫玻璃杯壁可以直觀地觀察到水的凝固實(shí)驗(yàn);
采用向試管內(nèi)的水中注射氣泡的方法對(duì)水進(jìn)行“攪拌”,確保受冷均勻;
利用本儀器可以隨堂演示水的凝固實(shí)驗(yàn)和冰的熔化實(shí)驗(yàn);
向試管內(nèi)的水中加入適量清潔球金屬絲,起到良好的導(dǎo)熱作用,顯著減小誤差;
一套儀器可以滿足多組實(shí)驗(yàn).
2?制作演示儀需要的主要器材
真空保溫玻璃杯,若干冷配件:?jiǎn)蜗蜷y一個(gè),外直徑為 2mm 的長(zhǎng)度為90cm的中空毛細(xì)管一段,開瓶閥一個(gè),加液管一個(gè),罐裝的制冷劑 一瓶,外直徑為6mm、長(zhǎng)度約10cm的銅管一段.
3?制作演示儀的方法
準(zhǔn)備一個(gè)高度約15cm、直徑約6.5cm的真空保溫玻璃杯,用25mm的開孔器在真空保溫玻璃杯蓋上以蓋的中心為圓心鉆一圓孔,保證剛好可以插入一只外直徑約25mm的試管.在圓孔的外圍距孔邊緣2mm處用鉆頭再鉆2個(gè)直徑約2mm 的小圓孔.
向真空保溫玻璃杯內(nèi)加入深度為5cm的水泥混凝土,混凝土晾干后與玻璃杯牢固結(jié)合在一起、可以作為玻璃杯的配重,降低玻璃杯的重心,實(shí)驗(yàn)時(shí)保證玻璃杯穩(wěn)定,如圖1所示.
將直的毛細(xì)管一端靠在外直徑為 15mm的試管上,使用金屬絲緊密環(huán)繞約16 匝,制成一個(gè)螺線管,毛細(xì)管的另一端保持直管狀態(tài),長(zhǎng)約20cm.
將螺線管的起始端插入一段長(zhǎng)約10cm、直徑為6mm的直銅管內(nèi),插入深度約3mm,將直銅管的另一端與單向閥連接,使用磷銅焊條和焊具將接頭處焊接起來,這樣就制成了一個(gè)降壓管.如圖2所示.
從金屬清潔球上取適量的金屬絲,蓬松、均勻地放入試管底部,然后用帶孔的橡膠塞塞緊試管口,將液體溫度計(jì)通過橡膠塞中央的孔插入試管底部金屬絲中.
將長(zhǎng)約20cm 、外直徑為 2mm 的筆直中空毛細(xì)管一端通過橡膠塞中央的孔插入試管底部,毛細(xì)管緊靠著溫度計(jì)的背面.毛細(xì)管的另一端彎折后與醫(yī)用輸液管、注射器連接,如圖3所示.
實(shí)驗(yàn)所需器材按照順序擺放,從左到右依次為開瓶閥、罐裝制冷劑、加液管、降壓管和真空保溫玻璃杯,如圖4所示.
將開瓶閥套在裝有制冷劑的金屬罐上,通過旋轉(zhuǎn)閥體將開瓶閥固定在金屬罐上,然后用加液管將開瓶閥與降壓管通過金屬對(duì)接頭連接起來,將降壓管的直管部分通過真空保溫玻璃杯瓶蓋上的小孔插入杯底部,如圖5所示.
4?使用演示儀的方法
對(duì)真空保溫玻璃杯進(jìn)行排空氣.將裝有制冷劑的金屬罐正立,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開瓶閥上的旋鈕數(shù)圈,旋鈕下方的金屬針下移直至戳破金屬罐,然后再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)開瓶閥的旋鈕提起金屬針,金屬罐內(nèi)高壓的氣態(tài)制冷劑通過加液管、降壓管進(jìn)入真空保溫玻璃杯底部,將玻璃杯內(nèi)的空氣排出,通氣數(shù)秒,玻璃杯內(nèi)空氣被全部排出.防止實(shí)驗(yàn)過程中玻璃杯內(nèi)溫度降低時(shí),空氣內(nèi)的水蒸氣液化后附著在杯壁和試管壁上,使杯壁變得模糊,影響觀察水的凝固過程及溫度計(jì)示數(shù)的變化.
利用制冷劑的節(jié)流膨脹獲得低溫環(huán)境.將盛制冷劑的金屬罐倒立,高壓的液態(tài)的制冷劑經(jīng)過開瓶閥、加液管、降壓管流入玻璃杯內(nèi),因?yàn)榻祲汗苤杏幸欢屋^長(zhǎng)的內(nèi)徑很小的毛細(xì)管,且呈螺旋管狀,液態(tài)制冷劑流經(jīng)該部分時(shí)受到很大的阻礙,從降壓管末端流入玻璃杯時(shí),壓強(qiáng)驟然減小,液態(tài)制冷劑發(fā)生節(jié)流膨脹、由液態(tài)汽化為氣態(tài)、同時(shí)吸收大量熱量,玻璃杯內(nèi)溫度急劇下降.因?yàn)槭钦婵毡夭AП?,所以杯?nèi)外不容易發(fā)生熱交換,歷時(shí)5秒后,杯內(nèi)溫度快速降至制冷劑的沸點(diǎn),大約零下26℃,此時(shí)流入玻璃杯內(nèi)的液態(tài)制冷劑不再汽化,玻璃杯內(nèi)液態(tài)制冷劑越來越多,直至金屬罐內(nèi)的液態(tài)制冷劑全部流入玻璃杯內(nèi).玻璃杯內(nèi)的空間相當(dāng)于冰箱的冷凍室,制冷劑不斷沸騰,溫度穩(wěn)定在零下26℃ .
5?演示水凝固實(shí)驗(yàn)
用醫(yī)用注射器吸取約7ml、初溫為27℃的純水,連接醫(yī)用輸液管及金屬毛細(xì)管將水注射到試管內(nèi)(如圖3所示).
將試管從玻璃杯蓋的孔中慢慢插入杯內(nèi)液態(tài)制冷劑中,直至試管裝水部分全部浸入液態(tài)制冷劑中(試管可以直立在杯中,不需要使用鐵架臺(tái)固定)當(dāng)試管底部接觸液態(tài)制冷劑時(shí),可見液態(tài)制冷劑中立刻產(chǎn)生大量的氣泡,即制冷劑開始劇烈沸騰,從試管內(nèi)水中快速吸收熱.制冷劑在沸騰過程中不斷運(yùn)動(dòng),與試管充分接觸,有利于從試管及其內(nèi)部的水中快速吸收熱量.溫度計(jì)玻璃泡處的水與靠近試管壁的水之間存在較大的溫度差,即靠近試管壁的水先降溫,溫度計(jì)示數(shù)變化滯后于靠近試管壁的水溫變化.為了減小試管內(nèi)水的溫差、減小誤差,可以將試管放入液態(tài)制冷劑中,注射器連接醫(yī)用輸液管,通過金屬毛細(xì)管向水中間斷注射氣泡的方法,對(duì)水進(jìn)行“攪拌”,確保水受冷均勻,溫度計(jì)示數(shù)馬上開始下降;加入水中的金屬絲是熱的良導(dǎo)體,也可以縮小溫度差,從而顯著減小溫度計(jì)測(cè)量誤差、保護(hù)溫度計(jì)及試管不被凍碎.歷時(shí)約2分鐘試管內(nèi)水溫度從27℃降至0℃,此時(shí)停止注射氣泡.透過真空保溫玻璃杯壁可見玻璃杯內(nèi)呈現(xiàn)冰火兩重天的現(xiàn)象:液態(tài)制冷劑持續(xù)沸騰、溫度保持零下26℃,繼續(xù)從試管吸收熱,試管內(nèi)部有冰出現(xiàn),冰逐漸增多,水逐漸減少,水在不斷凝固,溫度計(jì)示數(shù)維持在0℃不變,直至水全部凝固,此時(shí)液態(tài)制冷劑繼續(xù)沸騰,繼續(xù)從試管內(nèi)部吸收熱量,溫度計(jì)示數(shù)又開始下降.
6?演示冰的熔化實(shí)驗(yàn)
在水凝固實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)下降到大約零下4℃時(shí)將試管從玻璃杯中取出,用鐵夾夾住試管上部,將試管固定在鐵架臺(tái)上,對(duì)試管內(nèi)的冰進(jìn)行空氣浴,試管及內(nèi)部的冰從空氣中不斷吸收熱量,可見溫度計(jì)示數(shù)開始升高;當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)達(dá)到0℃時(shí),繼續(xù)吸收熱量,溫度計(jì)示數(shù)不再升高,冰在不斷熔化、減少,水在不斷增加;當(dāng)冰完全熔化,繼續(xù)吸收熱量,溫度計(jì)示數(shù)又開始升高.因?yàn)楸菬岬牟涣紝?dǎo)體,所以熔化前,溫度計(jì)玻璃泡處的冰與靠近試管壁的冰之間存在一定的
溫度差,即溫度計(jì)測(cè)量值低于靠近試管壁的冰的溫度值,但是冰內(nèi)的金屬絲是熱的良導(dǎo)體,能有效降低內(nèi)層冰與外層冰之間的溫度差,減小測(cè)量誤差.為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,加快試管內(nèi)的冰從空氣中吸收熱量,還可以用微風(fēng)電風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)試管內(nèi)的冰吹風(fēng),加快空氣流動(dòng),或者使用水浴法.
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