CN109859582A - 一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具及其测定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具及其测定方法，包括斯特林发动机本体，所述斯特林发动机本体包括飞轮和热缸，斯特林发动机本体上安装有直流电机，直流电机的动力输出端通过导线连接有可直接读出电压、电流、电功率的多功能USB测试表，热缸下方安装有用于盛装待测可燃液体的加热反应器具，建立实际输出功率与可燃性物质标准燃烧焓的数学关系，通过可燃性物质的燃烧带动斯特林热机工作，将物质燃烧释放的热能转化为机械能，再通过电机转化为电能，通过多功能USB测试表读出实际输出功率的数值，再代入建立的可燃性物质标准燃烧焓的数学关系，即可简便、快速地测定物质的燃烧焓，具有装置体积小、成本低、测定方法简单、快速、安全的特点。

Description

一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具及其测定方法

技术领域

本发明涉及属于教学用具技术领域，特别涉及一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具及其测定方法。

背景技术

燃烧焓是指1mol物质完全燃烧时的热效应,是热化学中重要的基本数据。物质燃烧焓的数值大小不仅能够计算化学反应的反应热、生成热等重要热力学参量，而且反应能量的传递和转换规律，为能源优化组合等领域提供重要依据。物质的标准燃烧焓数据一般是通过查阅文献资料获得的，实际测量过程复杂、繁琐。

在当前高校的物理化学测定物质燃烧焓的实验主要是采用氧弹式量热计测量方法。采用氧弹式量热计测定燃烧热实验中要使用氧气，为了便于运输、贮藏和使用氧气，通常将氧气压缩成为压缩气体灌入耐压钢瓶内。当钢瓶受到撞击或高温时就会有发生爆炸的危险，危险系数高、不易操作。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具及其测定方法，能够简便、快速地测定物质的燃烧焓，具有实验装置体积小、成本低、测定方法简单、快速、易操作、安全的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具，包括斯特林发动机本体，所述斯特林发动机本体包括飞轮1和热缸2，斯特林发动机本体上安装有直流电机3，直流电机3的动力输出端通过导线连接有可直接读出电压、电流、电功率的多功能USB测试表5，热缸2下方安装有用于盛装待测可燃液体的加热反应器具4。

所述直流电机3采用小型直流电机。

所述加热反应器具4采用玻璃容器。

一种基于斯特林热机的燃烧焓的测定方法，包括以下步骤：

步骤1：向加热反应器具4中加入待测的可燃性液体，控制每次实验的燃烧灯芯的高度为保持一致，点燃液体，对斯特林热机的热缸 2进行加热；

步骤2：当斯特林热机的热缸2的温度达到可以进行斯特林循环以后，拨动斯特林热机的飞轮1，使其开始进行斯特林循环起到发电的作用；

步骤3：将测量功率的显示仪器通过导线与斯特林热机上连接的直流电机3相连，待示数稳定后，读出此时的功率的最大值，取6-8 组数据；

步骤4：将记录的数据进行加和之后取平均值处理，算出平均最大功率；

步骤5：将平均最大功率代入已经建立好的数学模型，计算可得出该可燃性液体的燃烧焓。

所述步骤5的具体操作如下：

1)通过测量在一定时间内该溶剂质量的改变量，再进行线性拟合得到待测可燃液体的燃烧速率k(mmol/s)；

2)用步骤1)得到的燃烧速率k和待测可燃液体的标准摩尔燃烧焓，根据公式P₀＝k×Δ_rH_m算出斯特林热机的理论输出功率P₀(w)；

3)根据公式算出斯特林发动机的效率η，其中，η为斯特林发动机效率，P_x为实际输出功率(w)，通过多功能USB 测试表5读出最大功率时的8组数据；

4)通过对不同待测可燃液体求出不同的斯特林发动机的效率η，再对分别求得的η取平均值，即得到斯特林热机的平均效率η₀；

5)根据公式求出实际平均最大输出功率P₁(w)，其中，P₁为实验所测量得到的实际平均最大输出功率(w)，P_x为某次得到的最大功率的数值，n为实验具体得到的输出功率的组数；

6)根据步骤5)求出的实验所测量得到的实际平均最大输出功率P₁和可燃性溶剂的燃烧速率k以及计算得到的斯特林热机的平均效率η₀，再根据公式ΔH＝P₁/(η₀×k)，求出物质燃烧焓ΔH(kJ/mol)。

由于本发明以斯特林循环基础，充分利用可燃液体的燃烧带动斯特林热机工作，利用可燃性液体的燃烧速率的线性关系，在将燃烧速率视为定值的前提下，建立最大输出功率与物质燃烧焓之间的数学模型，可以实现通过读出一种可燃液体的最大输出功率和数学模型来计算可燃液体的燃烧焓，实验所需仪器成本低，体积小；实验试剂用量较少，降低了经济成本同时符合绿色化学的要求；实验操作简单便捷，大大缩短了实验时间，实验安全系数较高。

附图说明

图1为本发明实验教具整体结构示意图。

图2为无水乙醇燃烧消耗的物质的量-时间关系图。

图3为正丁醇燃烧消耗的物质的量-时间关系图。

图4为乙酸乙酯燃烧消耗的物质的量-时间关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具，包括斯特林发动机本体，所述斯特林发动机本体包括飞轮1和热缸2，斯特林发动机本体上安装有直流电机3，所述电机3采用小型直流电机。直流电机3的动力输出端通过导线连接有可直接读出电压、电流、电功率的多功能USB测试表5，热缸2下方安装有用于盛装待测可燃液体的加热反应器具4，所述加热反应器具4采用玻璃容器。

实施例1

将待测的可燃性液体(无水乙醇)加入到特定的酒精灯中，点燃该液体酒精灯，控制燃烧灯芯的高度为1.00cm不变。

当溶剂开始燃烧约30s后，此时斯特林热机已达到循环条件，拨动飞轮3让斯特林发动机开始工作。

当斯特林发动机工作稳定后，接入测量输出功率的显示仪器(多功能USB测试表5)和一个电阻较小的用电器，读出此时输出功率对应的最大值，一共读取6-8组数据。

将所有读出的最大输出功率从第一次记录的数据到最后一组数据进行加和之后，再除以实验总次数n，即可计算得到最大输出功率的平均值,计算读出的最大输出功率的平均值P1＝0.09713(w)。

通过计算得到斯特林热机的平均效率η0＝0.0349％，线性拟合得到无水乙醇的燃烧速率k＝0.196(mmol/s)。

将所计算出的平均最大输出功率代入事先建立好的数学模型，根据数学关系式计算得出无水乙醇的燃烧焓ΔH＝-1419.9(kJ/mol)。与无水乙醇的标准摩尔燃烧焓Δ_rH_m＝-1366.8(kJ/mol)相比，其相对偏差为3.74％。

实施例2

将待测的可燃性液体(正丁醇)加入到特定的酒精灯中，点燃该液体酒精灯，控制燃烧灯芯的高度为1.00cm不变。

当溶剂开始燃烧约30s后，此时斯特林热机已达到循环条件，拨动飞轮3让斯特林发动机开始工作。

当斯特林发动机工作稳定后，接入测量输出功率的显示仪器(多功能USB测试表)和一个电阻较小的用电器，读出此时输出功率对应的最大值。一共读出6-8组数据。

将所有读出的最大输出功率从第一次记录的数据到最后一组数据进行加和之后，再除以实验总次数n，即可计算得到最大输出功率的平均值。计算读出的最大输出功率的平均值P1＝0.10085(w)。

通过计算得到斯特林热机的平均效率η0＝0.0349％，线性拟合得到正丁醇的燃烧速率k＝0.117(mmol/s)

将所计算出的平均最大输出功率代入事先建立好的数学模型，根据数学关系式计算得出正丁醇的燃烧焓ΔH＝-2469.8(kJ/mol)。与正丁醇的标准摩尔燃烧焓Δ_rH_m＝-2675.8(kJ/mol)相比，其相对偏差为-8.34％。

实施例3

将待测的可燃性液体(乙酸乙酯)加入到特定的酒精灯中，点燃该液体酒精灯，控制燃烧灯芯的高度为1.00cm不变。

当溶剂开始燃烧约30s后，此时斯特林热机已达到循环条件，拨动飞轮3让斯特林发动机开始工作。

当斯特林发动机工作稳定后，接入测量输出功率的显示仪器(多功能USB测试表)和一个电阻较小的用电器，读出此时输出功率对应的最大值。一共读出6-8组数据。

将所有读出的最大输出功率从第一次记录的数据到最后一组数据进行加和之后，再除以实验总次数n，即可计算得到最大输出功率的平均值。计算读出的最大输出功率的平均值P1＝0.09580(w)。

通过计算得到斯特林热机的平均效率η0＝0.0349％，线性拟合得到乙酸乙酯的燃烧速率k＝0.118(mmol/s)

将所计算出的平均最大输出功率代入事先建立好的数学模型，根据数学关系式计算得出乙酸乙酯的燃烧焓ΔH＝-2326.3(kJ/mol)。与乙酸乙酯的标准摩尔燃烧焓Δ_rH_m＝-2247.9(kJ/mol)相比，其相对偏差为3.37％。

不同物质的燃烧速率k不同，本发明所用为乙醇、正丁醇、乙酸乙酯，具体燃烧速率k见图2-图4，图2-图4说明可燃性溶剂燃烧速率为一个定值，其线性R²＝0.9999，可以认为可燃性溶剂的燃烧速率是一个定值。

本发明的工作原理是：

本发明基于基于以下两个条件：1、特定的斯特林热机的效率一定；2、可燃性物质的燃烧速率为定值。通过建立实际输出功率与可燃性物质标准燃烧焓的数学关系，可以通过可燃性物质的燃烧带动斯特林热机工作，将物质燃烧释放的热能转化为机械能，再通过一个小型直流电机转化为电能，直流电机的动力输出端通过导线连接有可直接读出电压、电流、电功率的多功能USB测试表，读出实际输出功率的数值，再代入建立的可燃性物质标准燃烧焓的数学关系，即可求得实际测量得到的物质的燃烧焓。

Claims (5)

1.一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具，其特征在于，包括斯特林发动机本体，所述斯特林发动机本体包括飞轮(1)和热缸(2)，斯特林发动机本体上安装有直流电机(3)，直流电机(3)的动力输出端通过导线连接有可直接读出电压、电流、电功率的多功能USB测试表(5)，热缸(2)下方安装有用于盛装待测可燃液体的加热反应器具(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具，其特征在于，所述直流电机(3)采用小型直流电机。

3.根据权利要求1所述的一种基于斯特林热机的燃烧焓测定实验教具，其特征在于，所述加热反应器具(4)采用玻璃容器。

4.一种基于斯特林热机的燃烧焓的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：向加热反应器具(4)中加入待测的可燃性液体，控制每次实验的燃烧灯芯的高度为保持一致，点燃液体，对斯特林热机的热缸(2)进行加热；

步骤2：当斯特林热机的热缸(2)的温度达到可以进行斯特林循环以后，拨动斯特林热机的飞轮(1)，使其开始进行斯特林循环起到发电的作用；

步骤3：将测量功率的显示仪器通过导线与斯特林热机上连接的直流电机(3)相连，待示数稳定后，读出此时的功率的最大值，取6-8组数据；

步骤4：将记录的数据进行加和之后取平均值处理，算出平均最大功率；

步骤5：将平均最大功率代入已经建立好的数学模型，计算可得出该可燃性液体的燃烧焓。

5.根据权利要求4所述的一种基于斯特林热机的燃烧焓的测定方法，其特征在于，所述步骤5的具体操作如下：

1)通过测量在一定时间内该溶剂质量的改变量，再进行线性拟合得到待测可燃液体的燃烧速率k(mmol/s)；

2)用步骤1)得到的燃烧速率k和待测可燃液体的标准摩尔燃烧焓，根据公式P₀＝k×Δ_rH_m算出斯特林热机的理论输出功率P₀(w)；

3)根据公式算出斯特林发动机的效率η，其中，η为斯特林发动机效率，P_x为实际输出功率(w)，通过多功能USB测试表(5)读出最大功率时的8组数据；

4)通过对不同待测可燃液体求出不同的斯特林发动机的效率η，再对分别求得的η取平均值，即得到斯特林热机的平均效率η₀；

5)根据公式求出实际平均最大输出功率P₁(w)，其中，P₁为实验所测量得到的实际平均最大输出功率(w)，P_x为某次得到的最大功率的数值，n为实验具体得到的输出功率的组数；

6)根据步骤5)求出的实验所测量得到的实际平均最大输出功率P₁和可燃性溶剂的燃烧速率k以及计算得到的斯特林热机的平均效率η₀，再根据公式ΔH＝P₁/(η₀×k)，求出物质燃烧焓ΔH(kJ/mol)。