李金英，劉 霜，王 萌，楊雨馨

(吉林師范大學 物理學院，吉林 四平 136000)

大學物理實驗是物理學專業(yè)重要的實踐課程，而水的汽化熱實驗更是培養(yǎng)學生動手能力和物理基本測量技巧的重要實驗之一. 目前常見的測量水的汽化熱的實驗裝置有多種[1-4]，但有的裝置由于購置成本較高且全部數(shù)字化，雖然用起來簡單高效，但難以達到讓學生親自動手操作和設計實驗的目的；有的實驗裝置由于傳輸蒸汽的管道過長，蒸汽在管道中散熱造成熱損失，給實驗帶來誤差；還有的裝置裝在接取蒸汽中帶入了液化的水滴等因素影響，導致測量結果和公認值有較大偏差[5-7]. 在當今素質教育背景下，為使學生真正參與到實驗課堂，本文利用實驗室現(xiàn)有裝置和資源，對水的汽化熱實驗的操作和影響實驗結果準確度的因素展開深入探究，并結合研究結果，改進了實驗教學裝置，新的裝置可以有效減小由實驗中的熱損失以及蒸汽凝結等因素引入的測量誤差，實驗精確度得到大幅提升，為大學物理實驗裝置改進提供了一種新思路和方法.

1 實驗原理

物質由液態(tài)轉化為氣態(tài)的過程，稱為汽化，汽化時液體吸收熱量，水的汽化熱是指單位質量的水在相同溫度下汽化為水蒸氣時吸收的熱量. 在相同條件下，相同質量的液體汽化時吸收的熱量和液化時放出的熱量相等，如式(1)所示：

mL+m(t2-t0)c0= (m0c0+m1c1+C′)(t0-t1)

(1)

式中m為水蒸氣的質量，單位為g；L為水蒸氣的汽化熱，單位為J/kg；m0為冷水的質量，單位為g；t1為冷水溫度，單位為℃；t2為蒸汽溫度，單位為℃；t0為蒸汽進入冷水混合后水的溫度，單位為℃；c0為水的比熱容，單位為J/(kg·℃)；m1為鋁筒和鋁制攪拌器的總質量，單位為g；c1為鋁的比熱容，單位為J/(kg·℃)；C′為溫度計插入水中部分的熱容，單位為J/℃，其大小可以用式(2)計算[8]：

C′ =1.9V

(2)

式中V為溫度計插入水中部分的體積，以cm-3為單位，算出的結果再乘以1.9，即為溫度計在水中部分的熱容.

本實驗就是通過測量凝結過程放出的熱量來計算出水的汽化熱. 實驗可以利用混合法進行測量，即：將一定溫度的水蒸氣通入一定質量的冷水中，測定冷水溫度及質量的變化，即可通過式(3)計算出水的汽化熱：

L=(m0c0+m1c1+C′)(t0-t1)/m-(t2-t0)c0

(3)

2 實驗裝置及其改進思路

傳統(tǒng)的水蒸氣汽化熱測定實驗裝置如圖1(a)所示.從蒸汽發(fā)生器A出來的蒸汽，經(jīng)過簡易蒸汽過濾器B將蒸汽中的小水滴分離出之后，通過玻璃導管進入量熱器C. 在量熱器中蒸汽與冷水接觸發(fā)生凝結，放出的熱量使量熱器及其中的水溫度升高. 但是在實際實驗操作過程中，會發(fā)現(xiàn)簡易蒸汽過濾器B中液體很快盛滿，另外，蒸汽在進入量熱器之前，由于玻璃導管較長，溫度相對水蒸氣更低，因此會發(fā)生冷凝現(xiàn)象，冷凝水會隨著蒸汽與導管進入量熱器，因此導致其測量準確度下降. 同時該傳統(tǒng)裝置中的蒸汽溫度被人為設定為100 ℃，而因為海拔氣壓不同，實際水蒸氣的沸點會有所差異，因此也會引入一定固定誤差.

針對上述問題，本文通過改變蒸汽過濾器形式、改變蒸汽導管進入量熱器角度、給蒸汽導管增加電加熱套的方法，對上述可能引起測量誤差的環(huán)節(jié)進行改變，具體如圖1(b)所示. 采用四口瓶蒸汽過濾器替代原來的蒸汽過濾器. 四口瓶下裝有閥門和導管，可以及時排出過多的冷凝水；四口瓶上部裝有溫度計，可以準確讀出實時的蒸汽溫度，以減少系統(tǒng)誤差；出氣玻璃管進入量熱器前部分采用可調(diào)溫電加熱套包裹，采用電加熱提高玻璃管溫度，減少水蒸氣凝結量，同時玻璃導管采用傾斜設置，少量凝結水汽也不會進入量熱器干擾測量.

3 實驗結果與討論

為了驗證上述改進裝置效果，對上述兩種實驗裝置分別進行了水蒸氣汽化熱的測量，并對結果進行了比對.具體實驗步驟如下：首先，測量量熱器中鋁筒和攪拌器(鋁制)的總質量m1，向鋁筒中加入其3/4體積的冷水，冷水要求低于室溫5 ℃以上，然后測量出其總質量m2，則鋁筒中冷水的質量為m0=m2-m1；將量熱器組裝完畢，利用量熱器上的溫度計讀出冷水的溫度t1.用酒精燈給裝有水的燒瓶加熱，產(chǎn)生水蒸氣，待水蒸氣從玻璃管穩(wěn)定噴出5～10 min后，由四口瓶上的溫度計讀出水蒸氣溫度t2，然后將玻璃管通入量熱器中，并不斷攪拌，待溫度升高至高于室溫5 ℃左右時，移出蒸汽導管，而量熱器繼續(xù)攪拌，直至溫度不再上升，讀出其溫度t0.然后取出量熱器的鋁筒測量出總質量m3，該質量包含了鋁筒、攪拌器、水和進入的水蒸氣的總質量.

圖1 改進前和改進后的實驗裝置對比圖

用游標卡尺測量出溫度計在水中部分的直徑d，溫度計上套有一細小的彩色橡皮筋，待質量和溫度全部測量完后，觀察溫度計在水中的水印，然后將橡皮筋移動到水印位置，用游標卡尺測量出插入水中部分的長度，測量6次.則溫度計的C′可以通過式(2)求出.將上述測量結果帶入式(3)即可計算出水的汽化熱.

通過上述實驗，首先觀察到，加裝電加熱套前，通水蒸氣30 s內(nèi)，冷凝水流出量為7～8滴，而加裝電加熱套后，30 s內(nèi)蒸汽冷凝的水滴數(shù)量降為1滴. 5組同學的真實實驗結果如表1和表2所示，改進前實驗數(shù)據(jù)為表1，而實驗裝置改進后具體實驗結果如表2所示.

表1 改進前裝置實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

表2 改進后裝置實驗數(shù)據(jù)

由5組平行實驗數(shù)據(jù)結果對比可見，改進前實驗裝置的測量結果與公認值相對偏差為6.58%～10.04%，而改進后的實驗裝置，該偏差在0.53%至2.66%之間，均在3%允許范圍以內(nèi)，達到了更好的實驗效果. 實驗結果也驗證了裝置改進后，因為獲得了實驗條件下蒸汽真實的溫度數(shù)據(jù)，進而降低了之前將蒸汽溫度統(tǒng)一設定為100 ℃而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；另外電加熱套的升溫保溫功能使得蒸汽冷凝量明顯下降，傾斜導管也避免了大量冷凝水進入量熱器，進而降低了其對實驗結果產(chǎn)生的偶然誤差. 因此，本實驗裝置的改進雖然廉價簡單，但對水汽化熱測定實驗的準確度提高及系統(tǒng)誤差降低的幫助是非常明顯的.

但是通過實驗也發(fā)現(xiàn)：首先，蒸汽溫度雖然在四口瓶蒸汽過濾器中進行了讀取，獲得了實驗條件下的蒸汽溫度，但該溫度和水蒸氣進入量熱器時的真實溫度仍有一定差別，仍會引入部分系統(tǒng)誤差；其次，蒸汽玻璃管雖然因為傾斜角度和增加電加熱套的原因，冷凝流出的水量進入量熱器的很少，但也不會完全消失，因此實驗中水蒸氣質量也會因為蒸汽冷凝而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，可見，如何進一步減少冷凝水進入量熱器的質量，是提高水汽化熱測定實驗準確度和精度的重要方面.

4 結束語

本研究針對大學物理實驗水的汽化熱測定裝置進行了改進，通過引入新型蒸汽過濾器、改變蒸汽導管進入量熱器的角度、在蒸汽導管外增加電加熱套的方法，大幅度降低了實驗裝置的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，與未改造前的實驗裝置相比，相同條件下測定的水的汽化熱與公認值相比，其相對誤差從未改造前的6.58%～10.04%，下降為0.53%～2.66%. 該實驗裝置具有結構緊湊、測量準確率較高、成本較低、簡易可靠、使用方便等優(yōu)點，在培養(yǎng)學生實踐能力的同時，還可以使學生更加深入的理解本實驗的原理、改進原則及實驗過程，進而培養(yǎng)學生的合作意識、勤儉作風和創(chuàng)新精神，有效提高了大學物理實驗課堂的教學效果.