溶解热测量实验软件设计

郑传明

(北京理工大学理学院 北京 100081)

溶解热测量实验是大学物理化学实验中的一个经典实验[1]。在溶剂中分次加入溶质，分别测出热效应，根据各次热效应总和计算各浓度下的积分溶解热。制作Qs-n0图(图1)，根据曲线特定点的切线斜率计算该浓度溶液的微分稀释热;根据切线在纵坐标上的截距，计算该浓度溶液的微分溶解热;两浓度的积分溶解热之差为积分稀释热。实验装置如图2所示。市售仪器自带的测量软件通常强调高度智能化，数据采集与计算结果由测量软件自动完成，学生只需分次在溶剂中添加溶质，即可得到打印的实验结果。在教学中发现，如果学生不参与数据处理和表达实验结果的过程，不利于学生理解溶解热的相关基本概念和测量原理，也不利于培养学生的实践能力[2]。

图1 Qs-n0图

图2 实验装置示意图

作者设计了改进的实验方案，设计编写了测量软件。新的测量软件用微机采集和保存原始数据，然后提供由易到难的几种数据处理方案，学生可根据自己的能力选择，以激励学生挑战自我。

测量软件采用常用的视窗界面，简洁、易用。学生可通过菜单完成各项操作。菜单及功能见表1。

表1 软件菜单及其功能

软件的溶解测量界面如图3所示。

图3 软件测量界面

测量软件每秒记录一次原始数据，包括时间、温差、加热电流、加热电压。在测量窗口显示温差值，并图示温差随时间的变化，直观地反映了在溶解过程中，吸热使温度下降，电加热使温度回升，即补偿法量热原理。在加热过程中，加热功率往往难以恒定，本软件没有采用时间乘以加热功率计算热量的简单办法，而是实时显示加热功率，根据每一时刻的功率计算热量并累计，在测量窗口显示加热时间并显示加热热量累计值。可以比较两种计算热量方法的差别，采用热量累计的方法能避免加热功率变化带来的误差。在溶解过程中，软件逐步提示加入下一份溶质，至全部溶解完成后，软件将测量数据存盘保存。

溶解热测量实验的数据处理过程比较复杂，本软件设计了由易到难的3种方案供学生选择。学生可以选择最容易的C方案，由本测量软件自动处理数据、打印实验结果(图4,图5)。也可以选择难度较大的B方案，根据溶解每份硝酸钾对应的热量数据，学生自己做Qs-n0图，求算特定点的切线斜率、切线截距等，并计算结果。还可以选择难度更大的A方案，得到一个数据电子文件，包括每秒钟的温差、加热电流、加热电压等数据，学生自己计算每份硝酸钾对应的热量，做Qs-n0图，求算特定点的切线斜率、切线截距等，并计算实验结果。

图4 Qs-n0图显示

图5 数据与结果显示

学生选择不同的数据处理方案，会得到不同的成绩(选择C方案，本次实验成绩最高可得70分(百分制)；选择B方案，本次实验成绩最高可得90分；选择A方案，本次实验成绩最高可得100分)。学生既可以选择其中一种方案，也可以几种方案全选，即先选择难度最低的方案进行实验，然后在课后练习用难度更大的方案处理数据，以此激励学生挑战自我。

利用本软件进行溶解热测量实验，学生反映测量软件界面友好易用，能够直观地了解溶解热测量过程和基本原理。少部分学生只选择C方案，选择A方案并在课堂上当时完成的学生也比较少。大部分学生先选择C方案，打印一份实验结果，同时又选择A方案，用U盘复制带走实验原始数据，课下练习用通用数据处理软件Excel和Origin处理数据，最后按照A方案要求完成实验报告。通过用微机采集和处理数据的实战练习，可使学生体会到计算机在化学研究中的重要作用，提高了应用计算机技术的能力，并有助于激发他们进一步学习、探索的热情。

[1] 郑传明,吕桂琴.物理化学实验.北京:北京理工大学出版社,2005

[2] 郑传明,王良玉,劳捷.实验技术与管理,2008,25(12):45