一种测量水的汽化热的实验设计*

刘 艳 尹德都

(楚雄师范学院物理与电子科学学院 云南 楚雄 675000)

朱 红

(楚雄市北浦初级中学 云南 楚雄 675000)

周 皎

(楚雄州南华县第一中学 云南 楚雄 675200)

薛顺伟

(楚雄师范学院物理与电子科学学院 云南 楚雄 675000)

水汽化热的测量是热学的一个重要实验项目，测量水汽化热的传统实验装置有一定的缺陷：首先，传输水蒸气的管道较长，实验过程受外界温度干扰大，会导致部分水蒸气在传输过程中液化成小水珠；其次，不可避免地存在量热器与外界进行热量交换[1,2]，会有部分热量散失；再次，实验过程需要用玻璃棒不断地搅拌来使量热器内部系统温度均衡，此过程避免不了有少量的水从量热器溅出，从而导致测量结果有较大的误差；最后，由于蒸气导管的润湿性能和它在单位时间内向外散发热量有关[3～5]，导致冷凝法测量水的汽化热的实验数据稳定性较差.基于原实验操作复杂，用时长，实验重复性差，测量水的汽化热的实验误差大等方面的考虑.本文将介绍一种水的汽化热测量的创新实验方法，它用电热法直接测量水在汽化时吸收的热量，实验涉及力、热、电等基本知识的综合运用，对于培养学生运用实验基本技能解决实际问题的能力有重要意义.此实验方案操作方便，现象直观明显，实验装置简单易制、便于推广且实验精度高.

1 测量水的汽化热的实验方法设计

1.1 水的汽化热

物质吸热后由液体向气体转变的过程称为汽化，在温度保持不变的情况下单位质量的液体转化为气体时所吸收的热量称为液体的汽化热[2,6].水汽化成同温度的水蒸气时所吸收的热量Q与其质量m之比就是水的汽化热[7,8].水的汽化热与汽化时的温度有关，因为液相与气相之间的差别会随着温度的升高而逐渐减小，反之，液相与气相之间的差别会随着温度的下降而逐渐增大.

1.2 实验设计原理

测量水的汽化热的实验设计原理图如图1所示.

图1 测量水的汽化热的实验设计原理图

在物理天平的左盘中放入自制电热汽化器，自制电热汽化器里面装有试管、电阻丝和热水等.给浸没在水中的电阻丝通电，水被加热至沸腾，水蒸气由插在试管橡皮塞上的直角形玻璃管排出.在右盘中加减砝码，测出水汽化成水蒸气的质量.在一段时间t后有mg的水汽化成水蒸气从直角玻璃管喷出,记录此时的电压U和电流I，则有

U1I1t1=m1L+kt1

(1)

U2I2t2=m2L+kt2

(2)

上式中L为水沸腾时的汽化热，k为热散失速率，在测量的过程中周围环境变化较小，可认为热散失速率不变[9,12].为了消除热散失对实验结果的影响，可以改变水汽化成水蒸气的质量m和电路两端电压U的数值, 将得到满足式(1)的两组数据代入式(1)，通过计算消去热散失速率k后得到测量汽化热L的表达式

在式(2)中L即是所要求的水的汽化热，t1是在U1,I1条件下汽化质量m1的水所消耗的时间，t2是在U2,I2条件下汽化质量m2的水所消耗的时间.

2 水的汽化热的测量设备

2.1 实验器材

测量水的汽化热的创新实验方法所用的实验器材主要有物理天平、直流电压表(J-DB4XA)、直流电流表(JO407)、低压电源(J1201-1)、自制电热汽化器(可看作绝热系统)、秒表等.

2.2 自制电热汽化器

电热汽化器的制作可先选用一个废弃的饮料瓶，往里面塞入适当的聚苯乙烯碎泡沫，做成一个聚苯乙烯泡沫塑料隔热瓶.其中，聚苯乙烯泡沫塑料具有很好的隔热作用，可用于电热汽化器的隔热.然后再选用容量约为50 mL，直径为25 mm的试管，嵌装在适当大的聚苯乙烯泡沫塑料隔热瓶中.制作时，在试管橡皮塞上开3个孔，其中一对孔装硬铜线，铜线间连有电热丝，另一孔中插入直角玻璃管，供蒸汽喷出，开孔处用热熔胶密封.

2.3 实验装置设计

将一个试管用橡皮塞塞住管口，在橡皮塞上开3个小孔，其中橡皮塞两边小孔中插入两根铜丝接线柱，中间的小孔插入直角形玻璃管，插入试管中的两根铜丝间连接一段发热电阻丝，电阻丝的阻值在5～10 Ω，然后将试管嵌装在聚苯乙烯泡沫塑料隔热瓶中.将电流表、低压直流电源、滑动变阻器和电热汽化器中的电阻丝串联连接形成回路，回路中并联一个电压表.再将装配好的电热汽化器放到物理天平左边的托盘上，这样便制成了一个简单的电热法测量水的汽化热的实验设备，其实物图如图2所示.

图2 水的汽化热测量设备实物图

2.4 实验方法及操作步骤

为了节约实验过程所用的时间，实验开始时向电热汽化器内注入沸水.将电热丝浸入水中，让试管口与水面保持适当的距离，以防止在水沸腾时有小水珠从直角形玻璃管喷出.再用橡皮塞塞紧管口，把电热汽化器置于天平左盘.调整天平底部的3个平衡螺丝，使底部上的圆形水平仪的气泡处在中心位置，以保证物理天平水平放置.

接通电源，将低压电源的电压U调到10～24 V之间，经过一段时间的加热后电热汽化器中的水开始沸腾，水蒸气从直角形玻璃管中喷出.在天平右盘加上适当的砝码，让砝码比左盘的电热汽化器稍微轻一些，这时天平的指针偏向装有砝码的右盘.由于一直加热，电热汽化器里面的水不断地汽化成水蒸气，天平指针慢慢地趋向平衡位置.当天平指针指向平衡位置时刻，开始用停表计时.接下来从天平右盘中取出一个小砝码约2～4 g，使天平横梁再一次倾斜.由于电热汽化器中的水不断吸热转化成水蒸气从直角玻璃管口喷出，天平将再一次趋向平衡.当天平指针又一次指向平衡位置时，记下该时刻Δt.

改变电源电压和排出的水蒸气质量，然后记下电压表和电流表的数值以及水蒸气质量和所用时间.如此重复上述步骤，进行多次测量并采集实验数据.

3 水的汽化热测量设备的实测数据举例

3.1 实验数据处理

本文按照上述实验方法，在云南省楚雄市进行实验测量，实验环境室温为24.1 ℃，大气压强为631.6 mmHg，将实验数据记录于表1中.汽化热和相对误差数据记录于表2.若大气压强p用mmHg，温度用℃，则水的沸点t与压强p的近似关系为[13,14]

表1 测量水汽化热的实验数据(室温24.1℃)

表2 汽化热和相对误差数据

t=100.00+0.036 7(p-760)-

0.000 023(p-760)2

根据上式可计算出实验环境下水的沸点为94.998 ℃.查询水在不同温度下的汽化热，水在沸点为95 ℃时所对应水的汽化热的标准值为

L0=2.270 9×106J/kg

由以上4组数据计算得到的水的汽化热平均值为

本实验结果与标准值相比，其百分误差为

3.2 实验结果分析

实验标准偏差，即用有限次测量的数据得到的标准偏差的估计值来衡量相关数据的分散程度[15].测量次数较少(n<10)时通常采用极差法，用R表示极差，c表示极差系数，则

R=Lmax-Lmin=
2.279×106J·kg-1-2.247×106J·kg-1=
3.2×104J·kg-1

(3)

实验标准偏差

(4)

查表得，当测量次数n=4时，极差系数c=2.06.结合式(3)、(4)得实验标准偏差

s(L)=1.553×104J·kg-1

本次测量，水的汽化热测量结果表示为

实验结果表明：该实验设计所测量的汽化热的百分误差仅为0.46%；水汽化热的标准偏差较小.测量值集中.表明本实验用物理天平制成的电热法测量水汽化热的实验设备，所测量的数据可靠性较高，重复性较好，实验方法科学可行.

1.53.3实验方法分析

利用上述自主设计的水的汽化热测量实验装置进行测量，得到的实验结果相对误差小于1%，与冷凝法等其他常用测量方法的测量结果进行对比，该实验方案的实验误差较小.究其原因，该实验方案中在进行水的汽化热计算时，由于引入了热散失速率k，测量出来水的汽化热数值更接近于标准值.另外，实验中测量结果的精确度受电压U和汽化水蒸气的质量m的影响也比较大[16]，一般每一组数据的两次电压值U1和U2可以取U2稍大于0.7U1，每一组数据水汽化的质量满足m1等于2m2，此方法所测的时间t1和t2差值较小，最终实验误差也较小.

4 结束语

测量水汽化热的实验设计，为测定水的汽化热提供了一种新的实验方法.通过该实验设备测量得出的水的汽化热实验值与理论值也比较接近，实验误差较小.本实验装置具有使用实验设备结构简单、操作快捷方便、实验数据准确、实验时间较短等优点，因此,该实验具有很好的使用价值.尤其对于实验条件较差的地区和学校, 采用本实验装置及其操作的方法进行实验, 能得到较好的效果，实验误差小于1%.