物理化學(xué)實驗報告No1恒溫槽

NUMPAGES14-PAGE1 物理化學(xué)實驗No.1 PB02206003馬瑞恒溫槽的性能測定馬瑞摘要：本實驗在不同恒溫溫度和不同加熱電壓下監(jiān)測恒溫槽溫度隨時間的變化情況，從記錄的數(shù)據(jù)來研究恒溫槽在不同使用條件下的恒溫性能。另外還比較了電磁繼電器控制恒溫和手動控制恒溫的效果差異。關(guān)鍵詞：恒溫槽電子溫差測量儀恒溫性能TheDeterminationofPerformanceofThermostaticBMaRui (Marine.Marion)(NCL USTC Hefei Anhui P.R.China， 230026)Email：marion@USTC.eduAbstract：Wemonitorthetime-varyingtemperaturechangeunderdifferentconstanttemperatureanddifferentloadvoltage.Thedeterminationofdifferentperformanceunderdifferentinuseconditionofthermostaticbathwasreportedbyresearchingtherecordeddata.Afterthat,wecomparedthedifferenceoftheeffectbetweenautocontrolandmanualcontrol.Keywords：Thermostaticbath,ElectronicDTmeter,Thermostaticperformance

序言：由于實驗安排的原因，我到了學(xué)期末才來完成這個本該在第一次實驗時學(xué)習(xí)和掌握的“實驗一”。此前我已經(jīng)做過了其它一系列的后繼試驗，對恒溫槽在多種物理化學(xué)實驗中的應(yīng)用有了切實的體會，在做過的實驗中，絕大部分都要用到一種名為“超級恒溫水浴”的恒溫槽裝置，例如：使用阿貝折光儀時要保持鏡臺恒溫；使用紫外-可見分光光度計時要保持樣品槽恒溫；測電池電動勢時要給半電池管恒溫；測表面張力時的恒溫更為重要——表面張力隨溫度變化很大！……由此可見，在對溫度敏感的實驗中，恒溫槽的恒溫性能將直接影響實驗數(shù)據(jù)的精確性。值得注意的是，由于探測器、控制器、加熱器及其間電路固有的“遲滯”現(xiàn)象，恒溫槽的溫度只能維持相對的穩(wěn)定，它多少總有一定的波動。所以在實驗過程中，恒溫槽的靈敏度很重要，測量恒溫槽的靈敏度對改進恒溫槽的設(shè)計參數(shù)，提高相關(guān)實驗的精確性有著重要的意義。實驗部分：儀器與試劑JDW-3F精密電子溫差測量儀 南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所6402型電子繼電器 通州市滬通實驗儀器廠TDGC2J-1調(diào)壓變壓器 揚州金通電子有限公司JJ-1增力電動攪拌器 江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠1/10分度水銀溫度計；水槽，電熱絲，蒸餾水Fig1.恒溫槽結(jié)構(gòu)示意圖

1.浴槽2.加熱器3.攪拌器Fig1.恒溫槽結(jié)構(gòu)示意圖

1.浴槽2.加熱器3.攪拌器4.溫度計5.感溫元件6.恒溫控制器7.此處改用電子溫差儀代替實驗裝置圖注意本實驗不使用貝克曼溫度計，而是用JDW-3F精密電子溫差測量儀配合微機采集數(shù)據(jù)。其它結(jié)構(gòu)基本不變。

恒溫槽控溫原理通常的恒溫槽控溫方式有幾種：手動控溫——用于實驗要求不高時，簡單、實用；繼電器控制的定壓加熱控溫——此法精度較高，價格便宜，是最常用的方法；單片機控制的調(diào)壓加熱控溫——精度高，波形好，用于高精度的恒溫。本實驗及后幾個實驗所用到的恒溫槽（或者超級恒溫水?。┒际且揽坷^電器來控制恒溫槽的溫度穩(wěn)定。當(dāng)恒溫槽的熱量由于對外散失而溫度降低時，繼電器就操縱恒溫槽中的電加熱器工作；待加熱到所需溫度時，它又會使其停止加熱，使恒溫槽溫度基本保持恒定。以“通”、“斷”二端式控溫原理工作的恒溫裝置不可避免地存在滯后現(xiàn)象，如溫度的傳遞、感溫元件、繼電器、電加熱器等的滯后，所以恒溫槽控制的溫度存在一定的波動范圍，而不是控制在某一固定不變的溫度。溫度波動范圍越小，槽內(nèi)各處的溫度越均勻，則恒溫槽的靈敏度越高。靈敏度的高低是衡量恒溫槽恒溫性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志，它不僅與繼電器、接觸式溫度計等靈敏度有關(guān)，而且與攪拌器的效率、加熱器的功率、恒溫槽的大小等因素有關(guān)：攪拌的效率越高，溫度越易達到均勻，恒溫效果越好；加熱器的功率可用變壓器調(diào)節(jié)，在恒溫槽達到所需的溫度后減小電加熱的余熱；加熱器與攪拌器應(yīng)放得近一些，這樣利于熱量的傳遞；接觸式溫度計應(yīng)放在槽中合適的位置并與槽中的溫度計相近。恒溫槽關(guān)鍵部件的概述電加熱器：把電阻絲放入環(huán)形的玻璃管中以絕緣，根據(jù)浴槽的大小彎成直徑稍小的圓環(huán)制成，它可以把電阻絲放出的熱量均勻地分布在圓形恒溫槽的周圍。電加熱器一般由電子繼電器進行自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)恒溫。它的工作電壓或者說功率是根據(jù)恒溫槽的容量、恒溫溫度以及和環(huán)境的溫差大小來決定的，最好能使加熱和停止加熱的時間各占一半。電動攪拌器：用于使恒溫槽各處的溫度盡可能地相同。一般將攪拌器串聯(lián)在調(diào)速變壓器上來調(diào)節(jié)攪拌速度。攪拌器安裝的位置、槳葉的形狀對攪拌效果都有很大的影響，為此攪拌槳葉應(yīng)是螺旋槳式的或渦輪式的，且有適當(dāng)?shù)钠瑪?shù)、直徑和面積，以使液體在恒溫槽中有效地循環(huán)，這樣才能保證恒溫槽整體溫度的均勻性。溫度計：恒溫槽中常以一支1/10℃的溫度計測量溫度，本實驗中還附加一個電子溫差測量儀測量溫度變化。接觸式溫度計：該溫度計的下半段類似普通的水銀溫度計，上半段是控制裝置。溫度計的毛細管內(nèi)有一根金屬絲和上半段的螺母相連，它的頂部放置一磁鐵，當(dāng)轉(zhuǎn)動磁鐵時，螺母即帶動金屬絲沿螺桿向上或向下移動，由此來調(diào)節(jié)觸針的位置。在接點溫度計中有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線的一端與金屬絲或水銀柱相連，另一端則與溫度控制裝置——電子繼電器相連。當(dāng)恒溫槽的溫度低于接觸式溫度計所設(shè)定的溫度時，水銀柱與觸針不接觸，繼電器沒有電流通過或電流很小，這時繼電器中的電磁鐵磁性消失，銜鐵靠自身彈力自動彈開，將加熱回路接通進行加熱；反之則停止加熱。這樣交替地導(dǎo)通與斷開——加熱和停止加熱，使恒溫水浴達到恒定溫度的效果，控溫精度一般達±0.1℃，最高可達±0.05℃。

“靈敏度”的意義和計算公式 式中各符號分別代表的是 t1 ——最高溫度[℃] t2 ——最低溫度[℃] t ——靈敏度[℃]如前所述，以“通”、“斷”二端式控溫原理工作的恒溫裝置不可避免地存在滯后現(xiàn)象，所以恒溫槽控制的溫度存在一定的波動范圍。溫度波動范圍越小，槽內(nèi)各處的溫度越均勻，則恒溫槽的靈敏度越高——靈敏度的高低是衡量恒溫槽恒溫性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。本實驗用電子溫差測量儀配合微機自動采集數(shù)據(jù)以計算靈敏度，總共采樣數(shù)個周期。為直觀的表示靈敏度，常以溫度為縱坐標(biāo)、時間為橫坐標(biāo)繪制溫度~時間（T~t）曲線。步驟和注意事項打開電腦、調(diào)壓變壓器、電動攪拌器、電子繼電器、溫差測量儀各自的開關(guān)；

調(diào)節(jié)攪拌器使其轉(zhuǎn)速適中，調(diào)節(jié)加熱電壓使水槽升溫至接近30℃。

用100V電壓在30℃恒溫，將溫差儀歸零后用軟件采集溫差隨時間波動的數(shù)據(jù)；同時使用MSExcel監(jiān)視記錄下的數(shù)據(jù)文件并繪圖，當(dāng)數(shù)據(jù)圖像顯示已完成了數(shù)個升溫/降溫周期后停止采集數(shù)據(jù)。

用175V電壓在30℃恒溫，重復(fù)上述步驟。用100V電壓在45℃恒溫，重復(fù)上述步驟。用175V電壓在45℃恒溫，重復(fù)上述步驟。

將觸點溫度計的控溫參數(shù)調(diào)至60℃，即維持持續(xù)加熱——溫度控制權(quán)轉(zhuǎn)交給手工完成。選擇一個合適的加熱電壓，使裝置在連續(xù)加熱的條件下維持在45℃附近，重復(fù)上述步驟以記錄數(shù)據(jù)。

關(guān)閉電腦、調(diào)壓變壓器、電動攪拌器、電子繼電器、溫差測量儀各自的開關(guān)。注意：若恒溫槽的溫度和所要求的溫度相差較大，則可以適當(dāng)增大加熱電壓以加快升溫速率；但當(dāng)溫度接近指定溫度時，應(yīng)將加熱電壓降到合適的值以免過熱。觸點溫度計調(diào)至某一位置后，應(yīng)將調(diào)節(jié)帽上的固定螺釘擰緊，以免其受到攪拌器等外界因素產(chǎn)生的振動而發(fā)生滑動。攪拌器的轉(zhuǎn)速不宜開大——要避免產(chǎn)生明顯的振動！

結(jié)果與討論：實驗結(jié)果作圖并計算（詳見附件：實驗數(shù)據(jù)處理的2.數(shù)據(jù)處理及誤差計算）。最終得到結(jié)果：不同工作條件下恒溫槽的靈敏度依次為：

100V@30℃ t=±0.051℃

175V@30℃ t=±0.119℃

100V@45℃ t=±0.028℃

175V@45℃ t=±0.049℃

手動@45℃ t<±0.0095℃

相應(yīng)的T~t圖見附件中的FigA1.~FigA5.

對結(jié)果及其誤差等問題的討論Fig2.4種不同條件下的恒溫T~t曲線對照圖這是4種不同條件下的“繼電器控制定壓加熱恒溫Fig2.4種不同條件下的恒溫T~t曲線對照圖從上圖的對比結(jié)合計算出的靈敏度數(shù)據(jù)可以看出：靈敏度t/℃100V175V30℃±0.051±0.11945℃±0.028±0.04945℃（高溫）下的“通-斷”周期即“加熱-冷卻”周期比30℃下的相應(yīng)周期要短得多。這是因為較高的恒溫溫度與環(huán)境溫度差更大，所以散熱速率比較低的恒溫溫度要大——散熱快，則加熱狀態(tài)出現(xiàn)得也更頻繁，表現(xiàn)為周期很短。

如果忽略藍色曲線（100V@30℃）中間的一個異常高峰，則總的來說可以得出一個結(jié)論——同樣的恒溫溫度下低電壓（100V）加熱時的溫度波動較小，靈敏度較高——表現(xiàn)為高低峰之間的高度差較小，這一點從靈敏度數(shù)據(jù)也能看出：0.051<0.119100V 0.028<0.049 175V其實低電壓（100V）加熱時除了溫度波動較小外，“通-斷”周期也比高電壓加熱時短。這很容易理解：低電壓加熱時的溫度波動較小，也就是說“加熱慣性”小，類比彈簧振子——在其他條件不變的前提下，慣性越小則振蕩頻率越高，即周期短。

由上述2）→3）的邏輯可見：溫度波動小→靈敏度高→振蕩周期短。

其實這個推理反過來也成立，由1）已知：較高的恒溫溫度下周期短，則可推出較高的恒溫溫度下靈敏度高，這一點從靈敏度數(shù)據(jù)也能看出：0.049<0.11945℃ 0.028<0.051 30℃綜上所述，較高的恒溫溫度（45℃）&較低的工作電壓（100V）條件下，恒溫槽的溫度波動小、振蕩周期短、靈敏度高。

關(guān)于手工控制恒溫的結(jié)果討論：

雖然手工控制時的T~t曲線很不規(guī)則，但是數(shù)據(jù)的分布卻相當(dāng)集中——所有的數(shù)據(jù)都分布在-0.005℃~+0.014℃之間，且其中90%以上的點更是限制在極狹窄的區(qū)間+0.001℃~+0.009℃之間。（圖與計算過程詳見附件末尾。）

由于T~t曲線很不規(guī)則，無法方便的區(qū)分出各個完整的"通-斷"周期以計算靈敏度！但仍然可以估算出靈敏度的范圍：最大不超過0.0095℃，實際的t值應(yīng)該比0.0095℃還要小很多。

手工控制條件下短時間的恒溫性能比自動控溫還要好，這是因為手工選定一個確定的工作電壓后，加熱絲在持續(xù)地比較穩(wěn)定的工作——也就是說環(huán)境對恒溫槽持續(xù)而穩(wěn)定的做電功；同時，恒溫槽也比較均勻穩(wěn)定地向環(huán)境釋放熱量。只要工作電壓調(diào)節(jié)得恰到好處，體系獲得的電功就能和釋放的熱量相抵消，則恒溫槽的溫度維持幾乎不變。當(dāng)然，這種平衡只是短期內(nèi)有效，因為恒溫槽只能在短時間內(nèi)比較均勻穩(wěn)定地向環(huán)境釋放熱量，長期來看這種放熱速率是不穩(wěn)定的。

曲線形貌的討論：所有的T~t曲線都很不平滑，即使手工剔除了由儀器帶來的異?！霸肼暋睌?shù)據(jù)點后仍然不平滑！據(jù)稱這是我所用的儀器本身有問題所導(dǎo)致的，我覺得問題在于儀器所配攪拌器的效率低。

讓我們把目光從儀器不穩(wěn)定帶來的小幅波動上移開，著眼于溫差值的大范圍振蕩上，可見除了100V@45℃相應(yīng)曲線外，其它的幾條曲線上峰形都有“一邊倒”的特征。

這是因為實驗時的室溫較高，恒溫槽散熱慢——散熱過程相當(dāng)長，相比之下加熱過程短促而迅捷——表現(xiàn)在圖像上就是加熱的“曲線上升段”陡峭且短，而放熱的“曲線下降段”平緩且長，峰形表現(xiàn)出“向左邊倒”的特征。

此現(xiàn)象在175V@30℃的條件下表現(xiàn)得最為明顯，很容易理解這是因為175V的較高工作電壓使加熱速率更快，而同時30℃的較低水溫接近室溫而使得散熱速率更慢所導(dǎo)致的。反之，在100V@45℃的條件下該現(xiàn)象幾乎不存在。

至于曲線形狀是否是正弦曲線我覺得倒沒有太大關(guān)系，并非說曲線是正弦曲線該加熱器的恒溫效果就更好！相反，標(biāo)準(zhǔn)的三角波形曲線可能反而代表了更好的恒溫效果——什么叫做“恒溫效果好”？應(yīng)該是溫差數(shù)據(jù)點總體趨勢更靠近中軸線為好，即曲線上的點貼近中軸線振蕩時的效果好。

如下面四幅圖從左至右是效果依次變好的：差差好較差較好Fig3.曲線形狀優(yōu)劣的理論分析附圖

從統(tǒng)計學(xué)的角度來看，應(yīng)該是數(shù)據(jù)點樣本的方差越小則恒溫效果越好，經(jīng)過微積分運算可以得到：三角波形數(shù)據(jù)點系列的方差是相應(yīng)振幅的正弦波形數(shù)據(jù)點系列方差的2/3，這就從數(shù)學(xué)上證明了三角波形曲線比正弦曲線代表的恒溫效果好！

（圖示的左右對稱三角波與偏向一邊的三角鋸齒波的方差是一樣的。）（相關(guān)討論另見附件2數(shù)據(jù)處理及誤差計算）備注、補充、思考

在計算機自動采集的溫差值數(shù)據(jù)序列中，每組數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了數(shù)次錯誤的“0.235K”等異常數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象在以前做“氧彈”實驗時也出現(xiàn)過！且兩次實驗中采集溫差值數(shù)據(jù)的裝置均為JDW-3F精密電子溫差測量儀——我認為此型號的儀器普遍存在這種問題，因此在處理數(shù)據(jù)時刪除了一些異常值，理由如下：

儀器在采集快速變化的溫度數(shù)據(jù)時偶爾會出錯，是因為內(nèi)部的多通道數(shù)字電子線路在自動改變量程時需要做通道間的切換，雖然是電子學(xué)的快速切換，但仍然會出現(xiàn)一些“時滯”——表現(xiàn)為無法及時獲取正確的采樣值，自動取默認值填充！

另外本次實驗中還存在著“6402型電子繼電器”干擾JDW-3F精密電子溫差測量儀的問題，可以觀察到：每當(dāng)繼電器開關(guān)切換時，溫差儀的示數(shù)都會亂跳一會兒！這說明繼電器的電磁干擾影響了溫差值的正常采集，也會產(chǎn)生一些異常值。

前面已說過：曲線的不平滑可能是因為攪拌器效率不高造成的。其他幾個恒溫槽所用的攪拌器槳葉均為帶有弧度的螺旋形鋼片，而我用的這臺只是一個簡單的平直鋼片！低轉(zhuǎn)速時這種槳片攪拌效率不高，使得加熱器的熱量不能迅速的均勻分散到整個水槽中去；而高轉(zhuǎn)速時電動機又會產(chǎn)生強烈的震動，干擾其它儀器的工作。

建議將這個鋼片擰彎成螺旋狀以提高攪拌效率。

繼電器自動控制恒溫時，較高的恒溫溫度（45℃）&較低的工作電壓（100V）條件下，恒溫槽的溫度波動小、振蕩周期短、靈敏度高。但即使是100V@45℃條件下的靈敏度仍然不如手動“持續(xù)恒壓加熱”控溫條件下的靈敏度——

所以在需要短時間的恒溫時，手動控溫效果比繼電器自動控溫效果好！但是手動控溫時需要反復(fù)微調(diào)工作電壓，這步工作花了我近半小時的時間，即是說實驗的準(zhǔn)備工作太麻煩；另外手動控溫只能在短時間內(nèi)維持溫度基本不漂移，時間一長，環(huán)境狀況有所變化后就不能保證散熱速率與加熱速率仍然一致了，這時會發(fā)生平衡溫度的漂移，也就是說體系與環(huán)境將在一個新的平衡溫度上實現(xiàn)能量的收支平衡。

為了提高恒溫槽的靈敏度，需要在以下方面注意和改進：加熱器的功率不能太大，否則加熱慣性過大，溫度變化滯后，靈敏度降低。攪拌器的效率須足夠大，這樣才能使槽中各部分溫度盡量一致。散熱應(yīng)使用冷卻水完成，而不是僅僅只通過空氣對流和蒸發(fā)散熱——這樣能確保散熱速率基本恒定，而不怎么受風(fēng)的影響。恒溫槽中各部件的位置要合適，如定溫計、加熱器、攪拌器要互相靠近。定溫計與恒溫介質(zhì)的接觸面積大、傳熱快，這樣能使靈敏度高。Acknowledgements：ThisworkwassupportedbytheLabofPhysicalChemistry(LPC).ThankstotheteachersofLPCandappreciatealltheteachingassistants’help!參考文獻：崔獻英,柯燕雄,單紹純.物理化學(xué)實驗,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2000.MicrosoftCorporation.MicrosoftExcel2002幫助文檔,MicrosoftCorporation,2001.

附件：實驗數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)紀錄：環(huán)境狀況：多云，氣壓：750.25mmHg始；750.45mmHg終。

室溫：29.38℃始；29.12℃終。儀器/藥品主要參數(shù)：JDW-3F精密電子溫差測量儀：測量范圍-20~+80℃； 穩(wěn)定度±0.001℃（溫差范圍±5℃之內(nèi)的條件下）。測得數(shù)據(jù)的紀錄：100V ~30.00℃ Auto （這些溫度數(shù)據(jù)均為近似值）175V ~30.00℃ Auto100V ~45.00℃ Auto175V ~45.00℃ Auto~79V ~45.20℃ Manual本次試驗的主要數(shù)據(jù)均為計算機通過JDW-3F精密電子溫差測量儀自動采集，以ASCII碼形式保存在所附文件MR_30100.TXT，MR_30175.TXT，MR_45100.TXT，MR_45175.TXT和Manual.TXT中。因數(shù)據(jù)過多，此處從略，請參見所附文件夾。數(shù)據(jù)處理及誤差計算：FigA1.100V@30℃FigA1.100V@30℃T~t曲線

TableA1.周期12345t1/℃0.0430.0080.1550.0520.041t2/℃-0.032-0.038-0.059-0.040-0.043±t/℃0.0380.0230.1070.0460.042t=±0.051℃100V@30℃FigA2.175V@30℃T~FigA2.175V@30℃T~t曲線TableA2.周期123t1/℃0.1580.2070.199t2/℃-0.056-0.046-0.047±t/℃0.1070.1270.123t=±0.119℃175V@30℃

FigA3.100FigA3.100V@45℃T~t曲線TableA3.周期123t1/℃0.0160.0120.017t2/℃-0.041-0.039-0.041±t/℃0.0290.0260.02