CN2852122Y - 用冷却法测量金属比热容的装置 - Google Patents

Abstract

一种用冷却法测量金属比热容的装置，它主要由加热组件和测试组件组成，加热组件至少包括有一可上下升降的加热筒，筒体内安置有电热器；加热筒的下方安置有防风筒，其内有一供安放被测样品的底座，在该底座内安装有与被测样品接触的测温热电偶，该测温热电偶与外接的毫伏表至少组成了测试组件；用Pt100测温传感器实现加热温度过高保护，并设有三层隔热措施。本实用新型的优点是：测量精度优于3％，装置的测量安全性高，长期使用外表温度＜55℃，解决了使用中容易烫伤人的问题。

Description

用冷却法测量金属比热容的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用冷却法测量金属比热容的装置，尤其适合于教学实验领域。

背景技术

单位质量的物质，其温度升高1K或1℃所需的热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。

测定物质的比热容测量方法主要有混合法、电热法和冷却法。混合法采用热平衡原理测量物质的比热容，因为存在与外界的热量交换而影响测量精度；电热法通过对被测物质进行电加热，测量出加热功率和加热时间而测得物质的比热容，因为存在热量的损失而影响测量精度；冷却法是根据牛顿(Isaac Newton)冷却定律，若已知标准样品在不同温度的比热容，通过作冷却曲线可测得各种金属在不同温度时的比热容。

在科研和实验中，对金属的比热容测量一般采用冷却法。在现有的条件下，因为缺少专用的测量装置，只能用简易的设备组建，造成的测量的结果误差较大，测量的温度不易控制，安全性难以保障，容易发生烫伤事故。

发明内容

本实用新颖提供一种用冷却法测量金属比热容的装置，该装置所解决的技术问题是：能够测量金属的比热容，测量精度优于3％；采用变压器隔离的小于36V低压交流电加热，并且采取了温度过高保护措施，保证了装置的测量安全性；长期使用外表温度＜55℃，解决了容易烫伤的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：它主要由加热组件和测试组件组成，加热组件至少包括有一可上下升降的加热筒，筒体内安置有电热器；加热筒的下方安置有防风筒，其内有一供安放被测样品的底座，在该底座内安装有与被测样品接触的测温热电偶，该测温热电偶与外接的毫伏表至少组成了测试组件。

所述的加热筒通过支架、调节手轮连接在一垂直的齿条上，在加热筒内的电热器由电热丝和加热铜块组成，加热铜块与下方的被测样品直接接触。

所述的加热筒内安装有PT100测温传感器，且该测温传感器与一过温保护电路相接。

所述的加热筒外至少设置有一层内填充有隔热材料的隔热层。

所述的加热筒外设置有三层隔热层，在加热筒内的加热铜块外设置有第一层隔热层，在该第一层隔热层外还设置有二层隔热层。

本实用新型由加热组件和测试组件组成，加热组件对被测样品进行加热和冷却，测试组件对被测样品的温度和冷却时间进行测量。加热组件的加热筒可上下自由升降，被测样品放在有防风的底座上，由加热铜块对其加热；采用热电偶来测量被测样品的温度；用Pt100测温传感器监测加热筒的温度，过高时保护电路切断加热电压，并设有3层隔热措施，减少热量对外传递，这样确保加热筒的外壳温度不会烫伤人。测试仪包括加热电源、温度过高保护电路、毫伏表和计时秒表。测试组件包括毫伏表、计时秒表、计时按钮、加热电源、过温保护电路等组成。温度保护电路对Pt100测温传感器进行监测，超过一定的温度后切断加热电源，过温保护指示灯亮；毫伏表用于测量热电偶的测温输出，经换算后就可以测得被测样品的温度；计时秒表和计时按钮用于测量被测样品的冷却时间，计时分辨率：0.01s；加热组件和测试组件通过二组专用导线电气连接。

本实用新型的优点是：可以安全地测量多种金属的比热容；测量精度高：3％；采取了温度过高保护措施和良好的隔热措施，解决了容易烫伤的问题。

附图说明

图1是本实用新型加热组件的纵剖面构造图。

图2是本实用新型测试组件的面板功能示意图。

图3是本实用新型的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

附图中的标示如下：

图1中，1.加热筒；2.隔热材料；3.隔热盖；4.加热铜块；5.隔热层1；6.被测样品；7.底座；8.防风筒；9.测温热电偶；10.隔热层2；11.隔热层3；12.Pt100测温传感器；13.电热丝；14.调节手轮；15.齿条；16.电连接插座。

图2中，17.温度保护指示灯；18.加热电压选择；19.加热电压及Pt100测温传感器接口，20.测温热电偶接口；21.计时复位按钮；22.计时开始/停止按钮；23.计时秒表；24.毫伏表

图3为测试仪的内部框图，各组件作用在具体实施方式中解释

本实用新型主要由加热组件和测试组件组成，加热组件至少包括有一可上下升降的加热筒，筒体内安置有电热器；加热筒的下方安置有防风筒，其内有一供安放被测样品的底座，在该底座内安装有与被测样品接触的测温热电偶，该测温热电偶与外接的毫伏表至少组成了测试组件。

所述的加热筒1通过支架、调节手轮14连接在一垂直的齿条15上，在加热筒1内的电热器由电热丝13和加热铜块4组成，加热铜块4与下方的被测样品6直接接触。

所述的被测样品6安放在有较大容量的防风筒8内的底座7上，测温热电偶9放置于被测样品6内的小孔中；当加热筒1向下移动到底后，加热铜块4接触到被测样品6，对被测样品6进行加热，被测样品6需要降温时则将加热装置1上移，加热铜块4离开被测样品6；为防止加热筒1的加热温度过高，还设有Pt100测温传感器12监测；为防止加热筒1的外壳温度过高，设有3层隔热措施，加热铜块4外包有隔热1层5，隔热1层5与隔热2层10及隔热2层10与隔热3层11之间填充有隔热材料2。

测试仪包括毫伏表24、计时秒表23、计时按钮21、22、加热电源、过温保护电路等组成。测试仪提供的小于36V的交流加热电压施加于电热器1内的电热丝13，电热丝13对加热铜块4加热，加热铜块4再对被测样品6进行加热；温度保护电路由比较器、阈值调节电路和控制器组成，阈值调节电路可以调节温度保护的范围，比较器对Pt100测温传感器12的输出进行监测，超过阈值调节电路设定的温度后，控制器起控，切断加热电源，过温保护指示灯17亮；毫伏表24用于测量热电偶9的测温输出，经换算后就可以测得被测样品6的温度；计时秒表和计时按钮用于测量被测样品的冷却时间。

加热组件和测试组件通过二组专用导线电气连接。

下面就测量原理进行说明

单位质量的物质，其温度升高1K或1℃所需的热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。将质量为M₁的金属样品加热后，放到较低温度的介质(例如室温的空气)中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失(ΔQ/Δt)与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式：

$\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δt}}=c_1{M}_1\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

(1)式中C₁为该金属样品在温度θ₁时的比热容， 为金属样品在θ₁的温度下降速率，根据冷却定律有：

$\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\mathrm{\Δt}}={\mathrm{\α}}_1{S}_1{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)}^m---\left(2\right)$

(2)式中α₁为热交换系数，S₁为该样品外表面的面积，m为常数，θ₁为金属样品的温度，θ₀为周围介质的温度。由式(1)和(2)，可得

$c_1{M}_1\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\Δt}}={\mathrm{\α}}_1{S}_1{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)}^m---\left(3\right)$

同理，对质量为M₂，比热容为C₂的另一种金属样品，可有同样的表达式：

$c_2{M}_2\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\Δt}}={\mathrm{\α}}_2{S}_2{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)}^m---\left(4\right)$

由式(3)和(4)，可得：

$\frac{c_2{M}_2\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{\Δt}}}{c_1{M}_1\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\Δt}}}=\frac{{\mathrm{\α}}_2{S}_2{({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_0)}^m}{{\mathrm{\α}}_1{S}_1{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)}^m}$

所以

$c_2=c_1\frac{M_1\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{\Δt}}}{M_2\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{\mathrm{\Δt}}}\frac{{\mathrm{\α}}_2{S}_2{({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_0)}^m}{{\mathrm{\α}}_1{S}_1{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)}^m}$

假设两样品的形状尺寸都相同(例如细小的圆柱体)，即S₁＝S₂；两样品的表面状况也相同如涂层、色泽等，而周围介质(空气)的性质当然也不变，则有α₁＝α₂。于是当周围介质温度不变(即室温θ₀恒定)，两样品又处于相同温度θ₁＝θ₂＝θ时，上式可以简化为：

$c_2=c_1\frac{M_1{\left(\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}\right)}_1}{M_2{\left(\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}\right)}_2}---\left(5\right)$

如果已知标准金属样品的比热容C₁、质量M₁；待测样品的质量M₂及两样品在温度θ时冷却速率之比，就可以求出待测的金属材料的比热容C₂。几种金属材料的比热容见表1：

                         表1

Claims (5)

1、一种用冷却法测量金属比热容的装置，它主要由加热组件和测试组件组成，其特征在于加热组件至少包括有一可上下升降的加热筒(1)，筒体内安置有电热器；加热筒(1)的下方安置有防风筒(8)，其内有一供安放被测样品(6)的底座(7)，在该底座(7)内安装有与被测样品(6)接触的测温热电偶(9)，该测温热电偶(9)与外接的毫伏表(24)至少组成了测试组件。

2、根据权利要求1所述的用冷却法测量金属比热容的装置，其特征在于所述的加热筒(1)通过支架、调节手轮(14)连接在一垂直的齿条(15)上，在加热筒(1)内的电热器由电热丝(13)和加热铜块(4)组成，加热铜块(4)与下方的被测样品(6)直接接触。

3、根据权利要求1或2所述的用冷却法测量金属比热容的装置，其特征在于所述的加热筒(1)内安装有PT100测温传感器(12)，且该测温传感器(12)与一过温保护电路相接。

4、根据权利要求3所述的用冷却法测量金属比热容的装置，其特征在于所述的加热筒(1)外至少设置有一层内填充有隔热材料的隔热层。

5、根据权利要求4所述的用冷却法测量金属比热容的装置，其特征在于所述的加热筒(1)外设置有三层隔热层，在加热筒内的加热铜块外设置有第一层隔热层(5)，在该第一层隔热层外还设置有二层隔热层(10、11)。