專利名稱：固體金屬比熱測定的實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及物理熱電教學的實驗裝置，具體為一種固體金屬比熱測定的實驗
直O
背景技術：
單位質量的某種物質溫度升高rc吸收的熱量叫做這種物質的比熱容，簡稱比熱。目前測量物質比熱的方法有混合法(主要用于中等溫度范圍內的比熱測定，也可用于測量與水或其他物質不發生化學反應的液體的比熱)，物態變化法(該測量方法有兩種，即融冰法和冷卻法，可以用來測定金屬的比熱容)，電流量熱法(該方法運用了實驗中常用的比較測量法，其優點是能夠消除跟環境熱交換帶來的影響，使測量結果準確度較高，是測量液體比熱容常使用的好方法。不管用哪種方法，都必須遵循兩條原則一是保持系統為孤立系統，即系統與外界沒有熱交換；二是只有當系統達到熱平衡時，溫度的測量才有意義。要完全達到上述兩條原則，從物理定義上嚴格地講是不可能的。目標是采取恰當的裝置，測量方法和操作技巧盡量符合這兩條原則。上述的目前常用的幾種方法及裝置，系統受外界環境影響比較大，即使對數據進行修正，也難以消除外界的影響。另外時間、電壓等數據由操作人員記錄，人為因素也造成誤差。這都使比熱的測定準確性降低。
實用新型內容本實用新型的目的是設計一種固體金屬比熱測定的實驗裝置，待測固體金屬制成多面體樣品，珀爾帖片貼在樣品的各個表面，用帕爾帖片使樣品成為孤立系統，串聯的各珀爾帖片的熱電壓和熱電偶檢測的樣品溫度送入單片機，計算得到樣品的比熱，系統受外界環境影響比較小。本實用新型設計的固體金屬比熱測定的實驗裝置包括金屬樣品塊、溫度檢測器， 還包括珀爾帖片、直流電源和單片機，金屬樣品塊為多面體，珀爾帖片緊貼于金屬樣品塊的各個表面、且與所貼覆的表面大小相等，即珀爾帖片包覆金屬樣品塊的外表面，各珀爾帖片串聯。金屬樣品塊上有盲孔為熱電偶插孔。所述溫度檢測器為熱電偶，熱電偶的測溫端插在金屬樣品塊的熱電偶插孔內。串聯的珀爾帖片經雙向開關反向連接直流電源或者經雙向開關與數字毫伏表和負載電阻并聯。所述熱電偶的測溫表和數字毫伏表的電信號經模數轉換器接入單片機。當串聯的珀爾帖片經雙向開關反向連接直流電源時，珀爾帖片給金屬樣品塊加熱，達到一定溫度后，斷開直流電源，加熱停止，同時雙向開關將串聯的珀爾帖片與數字毫伏表、負載電阻并聯。因樣品塊各表面均貼覆了珀爾帖片，金屬樣品必須經珀爾帖片才能與外界進行熱量交換，樣品相當于一個孤立系統。在樣品自然冷卻過程中，珀爾帖片產生一個溫差電動勢ε (也叫塞貝克電動勢)，即熱電壓，負載電阻R將有電流流過，數字毫伏表測得電阻R兩端的熱電壓Up溫差電動勢ε在負載電阻上產生的電能W是功率P與時間的積分W= J" Pdt = / (U12A)ClL由珀爾帖特性可知溫差電動勢ε與溫差大小成正比，即電量w等于熱量變化量與珀爾帖片效率n的乘積。即w = Qn，金屬樣品塊的溫度τ由熱電偶測得，熱電偶的測溫表得到熱電偶的溫差電壓υ2，熱電壓U1和溫差電壓U2經模數轉換器轉換為數字信號接入單片機，單片機根據所存儲的熱電壓與溫度的關系即可得到相應時刻金屬塊內部溫度Τ。金屬塊通過珀爾帖片向外界傳輸的熱量為Q = ΟιιΔΤ，式中c為該樣品的比熱，m為該樣品的質量。可知C = W/η (πιΔΤ) = (1/n (mAT)) f (U12A)ClL珀爾帖片的效率η可由已知比熱的銅金屬塊進行標定；該樣品的質量m可用天平測定，時間t、 熱電壓仏、溫差電壓U2及其相應溫度T等數據均由單片機進行多次采樣自動記錄，單片機即可運算得出該樣品的比熱C，并在單片機所接的數字毫伏表的數字顯示屏上顯示比熱值。為保證熱電偶檢測的準確，所用熱電偶為T形熱電偶，熱電偶的冷端放在冰水混合物中保持0攝氏度，熱端插在金屬樣品塊的熱電偶插孔內。為了便于制作，金屬樣品塊為正方體。其邊長為30mm 50mm。所述直流電源的電壓為25V 35V/3A，為穩壓電源。所述負載電阻R與珀爾帖片內阻r相等，R = r0本裝置使用時，先用雙向開關使串聯的珀爾帖片反向連接直流電源，珀爾帖片給金屬樣品塊加熱；通過熱電偶的測溫表可知溫度上升情況，當溫度恒定后，繼續保持3 10 分鐘，讓金屬樣品塊內部溫度均勻，基本達到熱平衡；調整雙向開關，將串聯的珀爾帖片與數字毫伏表、負載電阻并聯，同時單片機開始計時，每分鐘讀一次熱電壓U1和測溫電壓U2, 并自動存貯；持續采樣20 40分鐘，共采樣20 40次，金屬樣品塊自然冷卻到常溫，單片機自動運算得到該金屬樣品的比熱，完成一次測定。本實用新型固體金屬比熱測定的實驗裝置的優點為1、利用珀爾帖片使樣品成為孤立系統，測定結果的準確性提高；2、單片機自動記錄溫差電動勢、樣品溫度和時間，消除了人工記錄的誤差，增加實驗的準確性；3、本實驗裝置還可用于測量熱交換率，熱轉換效率等參數；4、各部件均為常用設施，簡單易行。
圖1為本固體金屬比熱測定的實驗裝置實施例的樣品塊貼覆珀爾帖片的示意圖； 即圖2為本固體金屬比熱測定的實驗裝置實施例的電路連接示意圖；圖3為本固體金屬比熱測定的實驗裝置實施例的實物示意圖。圖內標號為1、金屬樣品塊，1-1、熱電偶插孔；2、珀爾帖片；3、熱電偶；3-1、熱電偶測溫表；4、數字毫伏表；5、雙向開關；6、冰水混合物7、支架；8、殼體；9、秒表。
具體實施方式
按如圖1至圖3所示詳細說明本固體金屬比熱測定的實驗裝置的實施例。如圖1所示，金屬樣品塊1為邊長為40mm的正立方體，6塊珀爾帖片2緊貼于金屬樣品塊1的6個表面、且各珀爾帖片2與正立方體的表面大小相等，即珀爾帖片2完全包覆金屬樣品塊1的外表面，為了增強傳熱效果可在金屬樣品塊1與珀爾帖片2之間涂以少量導熱硅膠。金屬樣品塊1上有盲孔，為熱電偶插孔1-1。如圖3所示，貼覆了珀爾帖片2的金屬樣品塊1懸空掛于支架7，以保證其為孤立系統。所用熱電偶3為T形熱電偶，熱電偶3的冷端放在冰水混合物6中保持0攝氏度， 熱端插在金屬樣品塊1的熱電偶插孔1-1內。本例的電路如圖2所示，串聯的珀爾帖片2經雙向開關5反向連接直流電源或者經雙向開關5與數字毫伏表4和負載電阻R并聯。所述熱電偶3的測溫表3-1和數字毫伏表4的電信號經模數轉換器接入單片機。所述直流電源的電壓為30V/3A的穩壓電源。所述負載電阻R與珀爾帖片2內阻r相等，R = r。所述雙向開關5與單片機的計時開關聯動，當雙向開關5將串聯的珀爾帖片2與數字毫伏表4、負載電阻R并聯的同時，單片機開始計時和采樣。為便于使用，如圖3所示，直流電源、雙向開關5、數字毫伏表4、負載電阻R、熱電偶3的測溫表3-1、模數轉換器和單片機均安裝于殼體8內。熱電偶3的測溫表3-1、數字毫伏表4和單片機的秒表9的數碼顯示屏均嵌于殼體8的面板，，可隨時觀察時間和溫度、 熱電壓的值。單片機接有設置按鍵，用來設定樣品質量，測溫范圍、測量次數、測量間隔時間等。測量完成后，單片機計算的樣品比熱值在數字毫伏表4上顯示，并可帶閃動。上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本實用新型并非限定于此。凡在本實用新型的公開的范圍之內所做的任何修改、 等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.固體金屬比熱測定的實驗裝置包括金屬樣品塊、溫度檢測器，其特征在于還包括珀爾帖片O)、直流電源和單片機，金屬樣品塊⑴為多面體，珀爾帖片⑵緊貼于金屬樣品塊(1)的各個表面、且與所貼覆的表面大小相等，各珀爾帖片O)串聯，金屬樣品塊⑴上有盲孔為熱電偶插孔(1-1)；所述溫度檢測器為熱電偶(3)，熱電偶(3)的測溫端插在金屬樣品塊⑴的熱電偶插孔(1-1)內；串聯的珀爾帖片⑵經雙向開關(5)反向連接直流電源或者經雙向開關(5)與數字毫伏表(4)和負載電阻(R)并聯；所述熱電偶 (3)的測溫表(3-1)和數字毫伏表⑷的電信號經模數轉換器接入單片機。
2.根據權利要求1所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于所述熱電偶⑶為T形熱電偶，熱電偶(3)的冷端放在0攝氏度的冰水混合物(6)中， 熱端插在金屬樣品塊(1)的熱電偶插孔(1-1)內。
3.根據權利要求1所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述金屬樣品塊(1)為正方體，其邊長為30mm 50mm。
4.根據權利要求1所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述直流電源的電壓為25V 35V/3A。
5.根據權利要求4所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述直流電源為穩壓電源。
6.根據權利要求1所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述負載電阻(R)與珀爾帖片O)內阻相等。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 貼覆了珀爾帖片⑵的金屬樣品塊⑴懸空掛于支架(7)。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述雙向開關(5)與單片機的計時開關聯動。
9.根據權利要求1至6中任一項所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述直流電源、雙向開關(5)、數字毫伏表G)、負載電阻(R)、熱電偶(3)的測溫表(3-1)、模數轉換器和單片機均安裝于殼體(8)內。
10.根據權利要求1至6中任一項所述的固體金屬比熱測定的實驗裝置，其特征在于 所述單片機連接設定樣品質量，測溫范圍、測量次數、測量間隔時間的設置按鍵。
專利摘要本實用新型為固體金屬比熱測定的實驗裝置，樣品塊為正方體，各帕爾帖片緊貼于樣品塊的各個表面、相互串聯。熱電偶的測溫端插入樣品塊的熱電偶插孔內。串聯的帕爾帖片經雙向開關反向連接直流電源或者經雙向開關與數字毫伏表和負載電阻并聯。所述熱電偶的測溫表和數字毫伏表的電信號經模數轉換器接入單片機。帕爾帖片連接直流電源時給樣品塊加熱，達到一定溫度后，帕爾帖片與數字毫伏表、負載電阻并聯，同時單片機計時采樣。根據樣品冷卻時帕爾帖片產生的熱電壓U1和樣品塊的溫度T，及樣品質量、帕爾帖片的效率等單片機即可得樣品比熱。本裝置用帕爾帖片使樣品成為孤立系統，無人工誤差，測定比熱準確；還可測定熱交換率，熱轉換效率等參數。
文檔編號G01N25/20GK202049656SQ20112002135
公開日2011年11月23日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者張欣蕊, 李丹, 梁冬冬, 梁維剛, 潘福東, 馬艷 申請人:廣西師范大學