CN106057036A - 热平衡过程可视化实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种热平衡过程可视化实验装置，在底座上设置连为一体上端盖有水槽盖板且表面射保温层第一水槽、第二水槽、第三水槽，底座右侧设光屏，第一水槽左侧底座上设第一支架，第一支架上设第一半导体激光器和位于第一半导体激光器出射光方向的分光镜，第一水槽后侧底座上设第三支架，第三支架上设第三反光镜，第三水槽前侧底座上设第二支架，第二支架上设第二半导体激光器，激光束靠近第三水槽右侧壁处水平横向透过第三水槽和第一水槽，投射在第三反光镜上，第三反光镜将激光束反射在光屏上。本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示直观、演示效果好等优点，可作为传热学教学的演示实验仪器。

Description

热平衡过程可视化实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于传热学实验仪器技术领域，具体涉及到热平衡过程实验设备或装置。

背景技术

热力学四大定律是热现象宏观理论的基础。热力学第零定律又称为热平衡定律，表述为：如果甲与乙,乙与丙均处于热平衡,甲与丙两者也彼此热平衡。热力学中的核心概念温度的严格定义，就是建立在此定律基础之上的。热力学第零定律重点在于阐述热平衡的可移转性，但是R－H富勒根据热平衡的传递性给温度下的定义，只规定了温度相等，不能比较温度的高低，也不能判定不平衡的系统之间的热流的方向。因此第零定律只给出热平衡的结果，而没有说明热平衡的过程和原因。热力学第二定律正好给定了自然界中自发过程的单向性，即热量从高温传递向低温就是一个自发过程，热力学第零定律和第二定律互为补充，对热平衡的结果和热传递的方向，给出了终极结论，这对热现象宏观理论的奠基性作用不言而喻。尽管两个定律都是通过大量实验总结得出，但在一般的实验室进行实验验证，存在一定的困难，目前也没有相关热平衡过程的实验演示仪器，使得学生不易透彻理解热平衡定律的物理本质。研制一种实现热平衡过程可视化的实验装置，对于热力学、传热学的实验教学，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、演示直观、演示效果好的热平衡过程可视化实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用热平衡过程可视化实验装置的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置连为一体透明的第一水槽、第二水槽、第三水槽，第二水槽和第三水槽位于第一水槽的前侧，第一水槽的前侧壁是第二水槽和第三水槽的后侧壁，第二水槽左侧壁的下半部是第三水槽右侧壁的上半部，第一水槽、第二水槽、第三水槽上端盖有水槽盖板，第一水槽、第二水槽、第三水槽外表面与水槽盖板上表面包裹加工有通光孔的保温层，在第一水槽和第二水槽的右侧底座上设置有光屏，第一水槽左侧底座上设置有第一支架，第一支架上设置有第一半导体激光器和位于第一半导体激光器出射光方向的分光镜，透过分光镜的激光束从第一水槽内0.8倍第一水槽高度处水平通过，投射在光屏上，激光束与第一水槽的前侧壁平行，激光束中轴线到第一水槽前侧壁的距离等于此处激光束截面的半径长度，分光镜反射的激光束垂直向下照射在设置于第一支架下部的第一反光镜上，第一反光镜的反射光从第一水槽内0.2倍第一水槽高度处水平通过，投射在光屏上，激光束与第一水槽的前侧壁平行，激光束中轴线到第一水槽前侧壁的距离等于激光束截面的半径长度，在第一水槽后侧底座上设置有第三支架，第三支架上设置有第三反光镜，第三水槽前侧底座上设置有第二支架，第二支架上设置有第二半导体激光器，第二半导体激光器出射的激光束从第三水槽内0.8倍第三水槽高度处水平通过，激光束与第三水槽的右侧壁平行，激光束中轴线到第三水槽右侧壁的距离等于此处激光束截面的半径长度，激光束靠近第三水槽右侧壁处水平横向透过第三水槽和第一水槽，投射在第三反光镜上，第三反光镜将激光束反射在光屏上。

本发明的第二水槽的长度、宽度、高度与第三水槽相同，第二水槽与第三水槽的长度之和与第一水槽的长度相同，第二水槽和第三水槽的高度为第一水槽高度的2/3，第二水槽的上端与第一水槽的上端在同一个平面内，第三水槽的下表面与第一水槽的下表面在同一个平面内。

本发明的分光镜的透射比为50％。

使用上述热平衡过程可视化实验装置的实验方法由下述步骤组成：

1、接通第一半导体激光器、第二半导体激光器的电源，调整第一半导体激光器、第二半导体激光器、分光镜、第一反光镜、第三反光镜的位置，使第一半导体激光器输出的透过第一水槽上部的激光束在光屏上的投射光点为右上光点，透过第一水槽下部的激光束在光屏上投射光点为右下光点，横向透过第三水槽和第一水槽的激光束在光屏上的投射点为光屏上的左光点。

2、在光屏上标记出三束激光投射点的位置，在第一水槽中加满自来水，第二水槽中加满80～95℃的热水，第三水槽中加满40～50℃的热水，第一水槽、第二水槽、第三水槽上端盖上水槽盖板，并开始计时。

3、观察光屏上三个投射光点的变化情况

光屏上的右上光点和右下光点向左水平方向一维扩散，形成两个平行的一字形光斑，显示第二水槽和第三水槽中的热量向第一水槽中单向传递；光屏上的左光点向右水平方向一维扩散，形成一字形光斑，显示第二水槽中的热量向第三水槽中单向传递。

4、继续观察光屏上三个一字形光斑长度的变化情况，光屏上右边三个平行的一字形光斑长度同步逐渐变短，显示随着第一水槽与第二水槽、第三水槽内水的温差变小，第一水槽中靠近前侧壁水的温度梯度逐渐变小，第三水槽与第二水槽内水的温差变小，第三水槽中靠近右侧壁水的温度梯度变逐渐变小。

5、光屏上三个投射光点形成的三个一字形光斑都收缩为初始位置的三个光点时终止计时，步骤3到步骤5所用的总时间为第一水槽、第二水槽、第三水槽中不同温度水之间的热平衡时间，通过观察光屏上三个一字形光斑长度的变化过程，实现三种不同温度水之间热平衡过程的实时可视化。

本发明将相互连接又装有不同温度水的第一水槽、第二水槽、第三水槽之间通过侧壁热传递时侧壁附近温度梯度的大小、方向及变化过程，通过靠近侧壁温度较低的一侧激光束偏折角的大小、偏折方向及变化规律来显现。激光束偏折角的大小、偏折方向及变化规律又通过光屏上激光投射光点的形状、扩展方向，实现了第一水槽、第二水槽、第三水槽之间通过共用侧壁热传递或热平衡过程的实时可视化。

本发明热平衡过程可视化实验装置具有结构简单、成本低、携带方便、演示直观、演示效果好等优点，可作为传热学教学的演示实验仪器。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是实施例1中光屏3上三个投射光点照片。

图4是实施例1中光屏3上三个一字形光斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。

实施例1

在图1、2中，本实施例的热平衡过程可视化实验装置由第一水槽1、第二水槽2、光屏3、第二半导体激光器4、第二支架5、第三水槽6、底座7、第一反光镜8、第一支架9、分光镜10、第一半导体激光器11、水槽盖板12、第三支架13、第三反光镜14、保温层15联接构成。

在底座7上放置有连为一体的第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6，第二水槽2和第三水槽6位于第一水槽1的前侧，第一水槽1的前侧壁又是第二水槽2和第三水槽6的后侧壁，第二水槽2左侧壁的下半部又是第三水槽6右侧壁的上半部，第二水槽2的长度、宽度、高度与第三水槽6的长度、宽度、高度相同，第二水槽2与第三水槽6的长度之和与第一水槽1的长度相同，第二水槽2和第三水槽6的高度为第一水槽1高度的2/3，第二水槽2的上端与第一水槽1的上端在同一个平面内，第三水槽6的下表面与第一水槽1的下表面在同一个平面内，本实施例的第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6由3～6mm的透明有机玻璃板或者4～8mm的石英玻璃板密封粘结制成，实验时，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6内装有不同温度的水，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6上端盖有水槽盖板12，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6的外表面及水槽盖板12的上表面上包裹有保温层15，保温层15上加工有通光孔。

在第一水槽1和第二水槽2的右侧底座7上安装有光屏3，第一水槽1左侧底座7上放置有第一支架9，第一支架9上用螺纹紧固联接件固定联接安装有第一半导体激光器11和分光镜10，分光镜10位于第一半导体激光器11的出射光方向，分光镜10的透射比为50％，透过分光镜10的激光束从第一水槽1内0.8倍第一水槽1高度处水平通过，投射在光屏3上，激光束与第一水槽1的前侧壁平行，激光束中轴线到第一水槽1前侧壁的距离等于此处激光束截面的半径长度。分光镜10反射的激光束垂直向下照射在设置于第一支架9下部的第一反光镜8上，第一反光镜8的反射光从第一水槽1内0.2倍第一水槽1高度处水通过，投射在光屏3上，激光束与第一水槽1的前侧壁平行，激光束中轴线到第一水槽1前侧壁的距离等于激光束截面的半径长度。

在第一水槽1后侧底座7上放置有第三支架13，第三支架13上用螺纹紧固联接件联接安装有第三反光镜14。在第三水槽6前侧底座7上放置有第二支架5，第二支架5上用螺纹紧固联接件固定联接安装有第二半导体激光器4，第二半导体激光器4出射的激光束从第三水槽6内0.8倍第三水槽6高度处水平通过，激光束与第三水槽6的右侧壁平行，激光束中轴线到第三水槽6右侧壁的距离等于此处激光束截面的半径长度，激光束靠近第三水槽6右侧壁处水平横向透过第三水槽6和第一水槽1，投射在第三反光镜14上，第三反光镜14将激光束反射到光屏3上。

使用上述热平衡过程可视化实验装置的实验方法步骤如下：

1、接通第一半导体激光器11、第二半导体激光器4的电源，调整第一半导体激光器11、第二半导体激光器4、分光镜10、第一反光镜8、第三反光镜14的位置，使第一半导体激光器11输出的透过第一水槽1上部的激光束在光屏3上的投射光点为右上光点，透过第一水槽1下部的激光束在光屏3上的投射光点为右下光点，横向透过第三水槽6和第一水槽1的激光束在光屏3上的投射点为光屏3上的左光点。

2、在光屏3上标示出如图3所示的三束激光投射点的位置，在第一水槽1中加满自来水，在第二水槽2中加满80～95℃的热水，第三水槽6中加满40～50℃的热水，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6上端盖上水槽盖板12，并开始计时。

3、观察光屏3上三个投射光点的变化情况

光屏3上的三个投射光点出现如图4所示的变化，光屏3上的右上光点和右下光点向左水平方向一维扩散，形成两个平行的一字形光斑，说明第二水槽2和第三水槽6中的热量向第一水槽1中单向传递；同时光屏3上的左光点向右水平方向一维扩散，形成一字形光斑，说明第二水槽2中的热量向第三水槽6中单向传递。

4、继续观察光屏3上三个一字形光斑长度的变化情况，光屏3上三个平行的一字形光斑长度同步逐渐变短，说明随着第一水槽1与第二水槽2、第三水槽6内水的温差变小，相应第一水槽1中靠近前侧壁水的温度梯度逐渐变小，第三水槽6与第二水槽2内水的温差变小，相应的第三水槽6中靠近右侧壁水中的温度梯度逐渐变小。

5、光屏3上三个投射光点形成的三个一字形光斑都收缩为如图3所示的初始位置的三个光点时终止计时，步骤3到步骤5所用的总时间为第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中不同温度水之间的热平衡时间，通过观察光屏3上三个一字形光斑长度的变化过程，实现了三种不同温度水之间热平衡过程的实时可视化。

本发明的工作原理如下：

第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6内装有不同温度的水，第一水槽1与第二水槽2、第三水槽6相互之间侧壁两侧存在温差，第二水槽2和第三水槽6中水的热量通过第一水槽1的前侧壁向第一水槽1内自来水中传递，第二水槽2中温度较高水的热量通过第二水槽2与第三水槽6相互之间侧壁向第三水槽6内温度较低的水中传递。在第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6之间通过相互间侧壁热传递过程中，靠近侧壁处水中的温度梯度最大，折射率梯度也最大，越靠近相互之间侧壁处，水的折射率越小。可以认为激光束是由许多平行光线集合而成的，靠近相互之间侧壁的激光束中不同光线通过处的折射率梯度不同，由于光线在非均匀介质中传输时向折射率大的区域偏折，即向水温度较低的方向偏折。因此，激光束中靠近相互之间侧壁的光线向离开侧壁方向的偏折角最大，激光束中离导热侧壁距离最大的光线的偏折角最小。使得未加热水前光屏3上原先的光点扩展为一字形光斑。光屏3上光点的扩展方向即为热传递方向。

由于第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中不同温度的水通过相互间侧壁热传递的起始，几个水槽中水的温差最大，相互间侧壁两面附近水的温度梯度最大，折射率梯度最大，这时靠近相互间侧壁的光线偏折角最大，光屏3上的投射光点扩散成的一字形光斑最长。随着热传递的进行，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中水的温差逐渐减小，温度梯度逐渐减小，折射率梯度也就逐渐减小，通过光线的偏折角逐渐减小，光屏3上一字形光斑的长度逐渐缩短。当第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中水温随着热传递进行而趋于一致，逐渐达到热平衡，水中的温度梯度逐渐变为零，一字形光斑重新缩为光点。通过观察光屏3上一字形光斑逐渐缩为光点的整个过程，实现了第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中不同温度水之间的热传递方向和热平衡过程的可视化。

Claims (4)

1.一种热平衡过程可视化实验装置，其特征在于：在底座(7)上设置连为一体透明的第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)，第二水槽(2)和第三水槽(6)位于第一水槽(1)的前侧，第一水槽(1)的前侧壁是第二水槽(2)和第三水槽(6)的后侧壁，第二水槽(2)左侧壁的下半部是第三水槽(6)右侧壁的上半部，第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)上端盖有水槽盖板(12)，第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)外表面与水槽盖板(12)上表面包裹加工有通光孔的保温层(15)，在第一水槽(1)和第二水槽(2)的右侧底座(7)上设置有光屏(3)，第一水槽(1)左侧底座(7)上设置有第一支架(9)，第一支架(9)上设置有第一半导体激光器(11)和位于第一半导体激光器(11)出射光方向的分光镜(10)，透过分光镜(10)的激光束从第一水槽(1)内0.8倍第一水槽(1)高度处水平通过，投射在光屏(3)上，激光束与第一水槽(1)的前侧壁平行，激光束中轴线到第一水槽(1)前侧壁的距离等于此处激光束截面的半径长度，分光镜(10)反射的激光束垂直向下照射在设置于第一支架(9)下部的第一反光镜(8)上，第一反光镜(8)的反射光从第一水槽(1)内0.2倍第一水槽(1)高度处水平通过，投射在光屏(3)上，激光束与第一水槽(1)的前侧壁平行，激光束中轴线到第一水槽(1)前侧壁的距离等于激光束截面的半径长度，在第一水槽(1)后侧底座(7)上设置有第三支架(13)，第三支架(13)上设置有第三反光镜(14)，第三水槽(6)前侧底座(7)上设置有第二支架(5)，第二支架(5)上设置有第二半导体激光器(4)，第二半导体激光器(4)出射的激光束从第三水槽(6)内0.8倍第三水槽(6)高度处水平通过，激光束与第三水槽(6)的右侧壁平行，激光束中轴线到第三水槽(6)右侧壁的距离等于此处激光束截面的半径长度，激光束靠近第三水槽(6)右侧壁处水平横向透过第三水槽(6)和第一水槽(1)，投射在第三反光镜(14)上，第三反光镜(14)将激光束反射在光屏(3)上。

2.根据权利要求1所述的热平衡过程可视化实验装置，其特征在于：所述的第二水槽(2)的长度、宽度、高度与第三水槽(6)相同，第二水槽(2)与第三水槽(6)的长度之和与第一水槽(1)的长度相同，第二水槽(2)和第三水槽(6)的高度为第一水槽(1)高度的2/3，第二水槽(2)的上端与第一水槽(1)的上端在同一个平面内，第三水槽(6)的下表面与第一水槽(1)的下表面在同一个平面内。

3.根据权利要求1所述的热平衡过程可视化实验装置，其特征在于：所述的分光镜(10)的透射比为50％。

4.一种使用权利要求1热平衡过程可视化实验装置的实验方法，其特征在于该方法由下述步骤组成：

1)接通第一半导体激光器(11)、第二半导体激光器(4)的电源，调整第一半导体激光器(11)、第二半导体激光器(4)、分光镜(10)、第一反光镜(8)、第三反光镜(14)的位置，使第一半导体激光器(11)输出的透过第一水槽(1)上部的激光束在光屏(3)上的投射光点为右上光点，透过第一水槽(1)下部的激光束在光屏(3)上投射光点为右下光点，横向透过第三水槽(6)和第一水槽(1)的激光束在光屏(3)上的投射点为光屏(3)上的左光点；

2)在光屏(3)上标记出三束激光投射点的位置，在第一水槽(1)中加满自来水，第二水槽(2)中加满80～95℃的热水，第三水槽(6)中加满40～50℃的热水，第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)上端盖上水槽盖板(12)，并开始计时；

3)观察光屏(3)上三个投射光点的变化情况

光屏(3)上的右上光点和右下光点向左水平方向一维扩散，形成两个平行的一字形光斑，显示第二水槽(2)和第三水槽(6)中的热量向第一水槽(1)中单向传递；光屏(3)上的左光点向右水平方向一维扩散，形成一字形光斑，显示第二水槽(2)中的热量向第三水槽(6)中单向传递；

4)继续观察光屏(3)上三个一字形光斑长度的变化情况，光屏(3)上右边三个平行的一字形光斑长度同步逐渐变短，显示随着第一水槽(1)与第二水槽(2)、第三水槽(6)内水的温差变小，第一水槽(1)中靠近前侧壁水的温度梯度逐渐变小，第三水槽(6)与第二水槽(2)内水的温差变小，第三水槽(6)中靠近右侧壁水的温度梯度变逐渐变小；

5)光屏(3)上三个投射光点形成的三个一字形光斑都收缩为初始位置的三个光点时终止计时，步骤3)到步骤5)所用的总时间为第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)中不同温度水之间的热平衡时间，通过观察光屏(3)上三个一字形光斑长度的变化过程，实现三种不同温度水之间热平衡过程的实时可视化。