专利名称：固体金属比热测定的实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及物理热电教学的实验装置，具体为一种固体金属比热测定的实验
直O
背景技术：
单位质量的某种物质温度升高rc吸收的热量叫做这种物质的比热容，简称比热。目前测量物质比热的方法有混合法(主要用于中等温度范围内的比热测定，也可用于测量与水或其他物质不发生化学反应的液体的比热)，物态变化法(该测量方法有两种，即融冰法和冷却法，可以用来测定金属的比热容)，电流量热法(该方法运用了实验中常用的比较测量法，其优点是能够消除跟环境热交换带来的影响，使测量结果准确度较高，是测量液体比热容常使用的好方法。不管用哪种方法，都必须遵循两条原则一是保持系统为孤立系统，即系统与外界没有热交换；二是只有当系统达到热平衡时，温度的测量才有意义。要完全达到上述两条原则，从物理定义上严格地讲是不可能的。目标是采取恰当的装置，测量方法和操作技巧尽量符合这两条原则。上述的目前常用的几种方法及装置，系统受外界环境影响比较大，即使对数据进行修正，也难以消除外界的影响。另外时间、电压等数据由操作人员记录，人为因素也造成误差。这都使比热的测定准确性降低。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种固体金属比热测定的实验装置，待测固体金属制成多面体样品，珀尔帖片贴在样品的各个表面，用帕尔帖片使样品成为孤立系统，串联的各珀尔帖片的热电压和热电偶检测的样品温度送入单片机，计算得到样品的比热，系统受外界环境影响比较小。本实用新型设计的固体金属比热测定的实验装置包括金属样品块、温度检测器， 还包括珀尔帖片、直流电源和单片机，金属样品块为多面体，珀尔帖片紧贴于金属样品块的各个表面、且与所贴覆的表面大小相等，即珀尔帖片包覆金属样品块的外表面，各珀尔帖片串联。金属样品块上有盲孔为热电偶插孔。所述温度检测器为热电偶，热电偶的测温端插在金属样品块的热电偶插孔内。串联的珀尔帖片经双向开关反向连接直流电源或者经双向开关与数字毫伏表和负载电阻并联。所述热电偶的测温表和数字毫伏表的电信号经模数转换器接入单片机。当串联的珀尔帖片经双向开关反向连接直流电源时，珀尔帖片给金属样品块加热，达到一定温度后，断开直流电源，加热停止，同时双向开关将串联的珀尔帖片与数字毫伏表、负载电阻并联。因样品块各表面均贴覆了珀尔帖片，金属样品必须经珀尔帖片才能与外界进行热量交换，样品相当于一个孤立系统。在样品自然冷却过程中，珀尔帖片产生一个温差电动势ε (也叫塞贝克电动势)，即热电压，负载电阻R将有电流流过，数字毫伏表测得电阻R两端的热电压Up温差电动势ε在负载电阻上产生的电能W是功率P与时间的积分W= J" Pdt = / (U12A)ClL由珀尔帖特性可知温差电动势ε与温差大小成正比，即电量w等于热量变化量与珀尔帖片效率n的乘积。即w = Qn，金属样品块的温度τ由热电偶测得，热电偶的测温表得到热电偶的温差电压υ2，热电压U1和温差电压U2经模数转换器转换为数字信号接入单片机，单片机根据所存储的热电压与温度的关系即可得到相应时刻金属块内部温度Τ。金属块通过珀尔帖片向外界传输的热量为Q = ΟιιΔΤ，式中c为该样品的比热，m为该样品的质量。可知C = W/η (πιΔΤ) = (1/n (mAT)) f (U12A)ClL珀尔帖片的效率η可由已知比热的铜金属块进行标定；该样品的质量m可用天平测定，时间t、 热电压仏、温差电压U2及其相应温度T等数据均由单片机进行多次采样自动记录，单片机即可运算得出该样品的比热C，并在单片机所接的数字毫伏表的数字显示屏上显示比热值。为保证热电偶检测的准确，所用热电偶为T形热电偶，热电偶的冷端放在冰水混合物中保持0摄氏度，热端插在金属样品块的热电偶插孔内。为了便于制作，金属样品块为正方体。其边长为30mm 50mm。所述直流电源的电压为25V 35V/3A，为稳压电源。所述负载电阻R与珀尔帖片内阻r相等，R = r0本装置使用时，先用双向开关使串联的珀尔帖片反向连接直流电源，珀尔帖片给金属样品块加热；通过热电偶的测温表可知温度上升情况，当温度恒定后，继续保持3 10 分钟，让金属样品块内部温度均勻，基本达到热平衡；调整双向开关，将串联的珀尔帖片与数字毫伏表、负载电阻并联，同时单片机开始计时，每分钟读一次热电压U1和测温电压U2, 并自动存贮；持续采样20 40分钟，共采样20 40次，金属样品块自然冷却到常温，单片机自动运算得到该金属样品的比热，完成一次测定。本实用新型固体金属比热测定的实验装置的优点为1、利用珀尔帖片使样品成为孤立系统，测定结果的准确性提高；2、单片机自动记录温差电动势、样品温度和时间，消除了人工记录的误差，增加实验的准确性；3、本实验装置还可用于测量热交换率，热转换效率等参数；4、各部件均为常用设施，简单易行。
图1为本固体金属比热测定的实验装置实施例的样品块贴覆珀尔帖片的示意图； 即图2为本固体金属比热测定的实验装置实施例的电路连接示意图；图3为本固体金属比热测定的实验装置实施例的实物示意图。图内标号为1、金属样品块，1-1、热电偶插孔；2、珀尔帖片；3、热电偶；3-1、热电偶测温表；4、数字毫伏表；5、双向开关；6、冰水混合物7、支架；8、壳体；9、秒表。
具体实施方式
按如图1至图3所示详细说明本固体金属比热测定的实验装置的实施例。如图1所示，金属样品块1为边长为40mm的正立方体，6块珀尔帖片2紧贴于金属样品块1的6个表面、且各珀尔帖片2与正立方体的表面大小相等，即珀尔帖片2完全包覆金属样品块1的外表面，为了增强传热效果可在金属样品块1与珀尔帖片2之间涂以少量导热硅胶。金属样品块1上有盲孔，为热电偶插孔1-1。如图3所示，贴覆了珀尔帖片2的金属样品块1悬空挂于支架7，以保证其为孤立系统。所用热电偶3为T形热电偶，热电偶3的冷端放在冰水混合物6中保持0摄氏度， 热端插在金属样品块1的热电偶插孔1-1内。本例的电路如图2所示，串联的珀尔帖片2经双向开关5反向连接直流电源或者经双向开关5与数字毫伏表4和负载电阻R并联。所述热电偶3的测温表3-1和数字毫伏表4的电信号经模数转换器接入单片机。所述直流电源的电压为30V/3A的稳压电源。所述负载电阻R与珀尔帖片2内阻r相等，R = r。所述双向开关5与单片机的计时开关联动，当双向开关5将串联的珀尔帖片2与数字毫伏表4、负载电阻R并联的同时，单片机开始计时和采样。为便于使用，如图3所示，直流电源、双向开关5、数字毫伏表4、负载电阻R、热电偶3的测温表3-1、模数转换器和单片机均安装于壳体8内。热电偶3的测温表3-1、数字毫伏表4和单片机的秒表9的数码显示屏均嵌于壳体8的面板，，可随时观察时间和温度、 热电压的值。单片机接有设置按键，用来设定样品质量，测温范围、测量次数、测量间隔时间等。测量完成后，单片机计算的样品比热值在数字毫伏表4上显示，并可带闪动。上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、 等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.固体金属比热测定的实验装置包括金属样品块、温度检测器，其特征在于还包括珀尔帖片O)、直流电源和单片机，金属样品块⑴为多面体，珀尔帖片⑵紧贴于金属样品块(1)的各个表面、且与所贴覆的表面大小相等，各珀尔帖片O)串联，金属样品块⑴上有盲孔为热电偶插孔(1-1)；所述温度检测器为热电偶(3)，热电偶(3)的测温端插在金属样品块⑴的热电偶插孔(1-1)内；串联的珀尔帖片⑵经双向开关(5)反向连接直流电源或者经双向开关(5)与数字毫伏表(4)和负载电阻(R)并联；所述热电偶 (3)的测温表(3-1)和数字毫伏表⑷的电信号经模数转换器接入单片机。
2.根据权利要求1所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于所述热电偶⑶为T形热电偶，热电偶(3)的冷端放在0摄氏度的冰水混合物(6)中， 热端插在金属样品块(1)的热电偶插孔(1-1)内。
3.根据权利要求1所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述金属样品块(1)为正方体，其边长为30mm 50mm。
4.根据权利要求1所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述直流电源的电压为25V 35V/3A。
5.根据权利要求4所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述直流电源为稳压电源。
6.根据权利要求1所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述负载电阻(R)与珀尔帖片O)内阻相等。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 贴覆了珀尔帖片⑵的金属样品块⑴悬空挂于支架(7)。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述双向开关(5)与单片机的计时开关联动。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述直流电源、双向开关(5)、数字毫伏表G)、负载电阻(R)、热电偶(3)的测温表(3-1)、模数转换器和单片机均安装于壳体(8)内。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的固体金属比热测定的实验装置，其特征在于 所述单片机连接设定样品质量，测温范围、测量次数、测量间隔时间的设置按键。
专利摘要本实用新型为固体金属比热测定的实验装置，样品块为正方体，各帕尔帖片紧贴于样品块的各个表面、相互串联。热电偶的测温端插入样品块的热电偶插孔内。串联的帕尔帖片经双向开关反向连接直流电源或者经双向开关与数字毫伏表和负载电阻并联。所述热电偶的测温表和数字毫伏表的电信号经模数转换器接入单片机。帕尔帖片连接直流电源时给样品块加热，达到一定温度后，帕尔帖片与数字毫伏表、负载电阻并联，同时单片机计时采样。根据样品冷却时帕尔帖片产生的热电压U1和样品块的温度T，及样品质量、帕尔帖片的效率等单片机即可得样品比热。本装置用帕尔帖片使样品成为孤立系统，无人工误差，测定比热准确；还可测定热交换率，热转换效率等参数。
文档编号G01N25/20GK202049656SQ20112002135
公开日2011年11月23日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者张欣蕊, 李丹, 梁冬冬, 梁维刚, 潘福东, 马艳 申请人:广西师范大学