一种基于压力测量燃烧热的教具及测量方法与流程

本发明涉及一种测量燃烧热的教具及测量方法，特别是一种基于压力测量燃烧热的教具及测量方法。

背景技术：

燃烧热是指物质与氧气进行完全燃烧反应时放出的热量。它一般用单位物质的量、单位质量或单位体积的燃料燃烧时放出的能量计量。目前国内外均采用氧弹法测定固体、液体类燃料的热值，其原理是把一定量的分析试样放置在氧弹中,在氧弹中充入氧气,然后使试样在氧弹中完全燃烧,氧弹预先放在一个盛满水的容器中,根据试样燃烧后水温的升高,计算出试样的发热量。由于实际情况并不如此简单,所以需要考虑各种影响测定的因素,进行各种校正,然后才能获得正确的结果。所以为了解决以上技术问题，并且结合多年教学实践，从而发明出一种基于压力测量燃烧热的教具及测量方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于压力测量燃烧热的教具及测量方法。本发明具有教具结构简单，制作容易，操作简便；导热介质不需要水，节水环保，不需要繁杂的雷诺温度校正，测量精度高；药品用量少，节约成本，减少污染；紧扣教材，让学生对所学知识进行创造性应用，有助于加深对物理化学知识及实验方法的理解与巩固，便于培养学生科学思维能力和实践能力的特点。

本发明的技术方案：一种基于压力测量燃烧热的教具及测量方法，包括有圆形固定板，圆形固定板的上端面设有圆环形固定槽，圆环形固定槽内活动设有圆筒密封腔体，圆筒密封腔体的下端面为开口结构，圆筒密封腔体的上端面为封闭结构，圆筒密封腔体的下端上设有橡胶密封圈，且橡胶密封圈位于圆环形固定槽内，圆筒密封腔体的外侧表面上均匀分布有一组固定块，一组固定块上分别竖直设有固定螺栓，固定螺栓的下端分别连接有固定螺母，固定螺母分别固定在圆形固定板上；所述圆筒密封腔体内的圆形固定板上活动放置有氧弹，氧弹连接有点火导线，点火导线与圆筒密封腔体的上端面连接，圆筒密封腔体外部的点火导线连接有点火装置；圆筒密封腔体一侧经导管连接有压差计。

前述的基于压力测量燃烧热的教具中，所述圆筒密封腔体的外侧表面上均匀分布有三个固定块。

前述的基于压力测量燃烧热的教具中，所述圆筒密封腔体的外表面设有保温层；所述圆形固定板采用隔热材料制备，教具的隔热性能好。

所述的基于压力测量燃烧热教具的测量方法，包括有以下步骤：

a、精确称量点火丝质量为m1，取待测样品，压片，再精确称量压好的点火丝和待测样品总质量m2，且待测样品的质量m样＝m2-m1，将压好的点火丝和待测样品装入氧弹中，然后在0.5—1mpa下30秒对氧弹充氧；

b、将氧弹放置在圆形固定板上，氧弹与点火导线连接，然后把圆筒密封腔体的下端放入环形固定槽内，然后分别将固定块上的固定螺栓与圆形固定板上的固定螺母连接，将圆筒密封腔体下端的橡胶密封圈紧压贴合在圆环形固定槽内，气密性好；

c、通过圆筒密封腔体一侧经导管连接的压差计记录初始压力为p1后，然后控制点火装置经点火导线控制氧弹点火，当压差计的压力上升到最大，通过压差计记录压力为p2，即得燃烧反应前后腔体中空气气压改变值△p＝p2-p1；

d、通过旋转固定螺栓，取消固定螺栓与固定螺母的连接，将圆筒密封腔体打开，取出氧弹并打开，精确称量未燃烧点火丝的质量为m3，即点火合金丝质量m丝＝m1-m3。

前述的基于压力测量燃烧热教具的测量方法中，所述取0.2-0.3g的待测样品。

前述的基于压力测量燃烧热教具的测量方法中，所述m丝×q丝+m样×q样＝k×(p2-p1)＝k×△p；

式中：m丝：点火合金丝质量，单位：g；q丝：点火合金丝燃烧热，单位：kj/g；m样：待测样品质量，单位：g；q样：样品燃烧热，单位：kj/g；k：所述教具的仪器热容常数，单位：kj/pa；△p：燃烧反应前后腔体中空气气压改变值,单位：pa。

前述的基于压力测量燃烧热教具的测量方法中，所述k：所述教具的仪器热容常数单位：kj/pa；采用已知燃烧热的样品标定常数k。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过测量微压差来计算样品的燃烧热，本发明教具(如图1-3)结构简单，制作容易，操作简便；导热介质不需要水，节水环保，不需要繁杂的雷诺温度校正，测量精度高；药品用量少，实验中取用的药品在0.2-0.3g之间，节约成本，减少污染；测量快捷，用时少，整个测定过程平均30分钟，最长不超过1小时；实验数据处理中，紧扣教材，让学生对所学知识进行创造性应用，有助于加深对物理化学知识及实验方法的理解与巩固，便于培养学生科学思维能力和实践能力。

实验证明：

一、基本思想

物质燃烧放出热量，定量的气体吸收热量后，体积膨胀，引起压力上升，通过测定气体压力来计算物质的燃烧热。

二、测定原理

氧弹中燃烧反应产生的热量传给隔热密闭圆筒密封腔体中的空气和测量装置，使圆筒密封腔体内温度由t1升高到t2，如下图所示，有下式：

m丝×q丝+m样×q样＝(c空+c计)×(t2-t1)(1)

(1)式中：

m丝：点火合金丝质量，单位：g；

q丝：点火合金丝燃烧热，单位：kj/g；

m样：待测样品质量，单位：g；

q样：样品燃烧热，单位：kj/g

c空：圆筒密封腔体内空气的热容，单位：kj/k；

c计：圆筒密封腔体及氧弹等部件的总热容，单位：kj/k；

对于相同的测量装置，(c空+c计)不变，用k1表示，(1)式变为：

m丝×q丝+m样×q样＝(c空+c计)×(t2-t1)

m丝×q丝+m样×q样＝k1×(t2-t1)

低压下把密闭腔体中空气看成理想气体，设p1和p2分别为温度t1和t2对应的压力：

由：p2v＝nrt2，p1v＝nrt1，得

t2-t1＝v/nr×(p2-p1)

相同教具和条件下，腔体内空气的体积v和物质的量n都是一定的，r是摩尔气体常量，v/nr为常数，用k2表示，得下式:

t2-t1＝k2×(p2-p1)

将t2-t1＝k2×(p2-p1)带入m丝×q丝+m样×q样＝k1×(t2-t1)中，合并常数k1×k2＝k，得：

m丝×q丝+m样×q样＝k1×k2×(p2-p1)＝k×(p2-p1)

而△p＝p2-p1；

即：m丝×q丝+m样×q样＝k×(p2-p1)＝k×△p

只要测出燃烧反应前后腔体中空气气压改变值△p和k值，即可算出样品的燃烧热。对于同一测定教具和测定条件，所述教具的仪器热容常数k值不变，测定时，先用已知燃烧热的样品标定常数k，再按相同的步骤测定样品燃烧热。

综上所述，本发明具有教具结构简单，制作容易，操作简便；导热介质不需要水，节水环保，不需要繁杂的雷诺温度校正，测量精度高；药品用量少，节约成本，减少污染；紧扣教材，让学生对所学知识进行创造性应用，有助于加深对物理化学知识及实验方法的理解与巩固，便于培养学生科学思维能力和实践能力的有益效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明圆筒密封腔体及圆形固定板的结构示意图。

附图中的标记为：1-圆形固定板，2-固定螺母，3-固定块，4-固定螺栓，5-圆筒密封腔体，6-点火导线，7-导管，8-压差计，9-点火装置，10-圆环形固定槽，11-橡胶密封圈，12-氧弹，13-保温层。

具体实施方式

下面结合附图1-3和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种基于压力测量燃烧热的教具(苯甲酸标定教具的仪器热容常数k值)，测定萘的燃烧热，包括有以下步骤：

a、精确称量点火丝质量为m1，取0.2-0.3g待测样品，压片，再精确称量压好的点火丝和待测样品总质量m2，且待测样品的质量m样＝m2-m1，将压好的点火丝和待测样品装入氧弹12中，然后在0.5—1mpa下30秒对氧弹12充氧，氧弹12的规格为300ml；

b、将氧弹12放置在圆形固定板1上，氧弹12与点火导线6连接，然后把圆筒密封腔体5的下端放入环形固定槽10内，然后分别将固定块3上的固定螺栓4与圆形固定板1上的固定螺母2连接，将圆筒密封腔体5下端的橡胶密封圈11紧压贴合在圆环形固定槽10内，气密性好，并且所述圆筒密封腔体5的外表面设有保温层13，圆形固定板1采用隔热材料制备，教具的隔热性能好；

c、通过圆筒密封腔体5一侧经导管7连接的压差计8记录初始压力为p1后，压差计8的型号为dmp-2p，然后控制点火装置9经点火导线6控制氧弹12点火，当压差计8的压力上升到最大，通过压差计记录压力为p2，即得燃烧反应前后腔体中空气气压改变值△p＝p2-p1；

d、通过旋转固定螺栓4，取消固定螺栓4与固定螺母2的连接，将圆筒密封腔体5打开，取出氧弹12并打开，精确称量未燃烧点火丝的质量为m3，即点火合金丝质量m丝＝m1-m3。

技术数据：

已知点火丝恒容燃烧热文献值：q丝＝6.694kj/g

苯甲酸恒容燃烧热文献值：q苯甲酸＝26.460kj/g

室内温度：19℃

根据：m丝×q丝+m样×q样＝k×(p2-p1)＝k×△p；

式中：m丝：点火合金丝质量，单位：g；q丝：点火合金丝燃烧热，单位：kj/g；m样：待测样品质量，单位：g；q样：样品燃烧热，单位：kj/g；k：所述教具的仪器热容常数，单位：kj/pa；△p：燃烧反应前后腔体中空气气压改变值,单位：pa。

测量及计算结果详细见表1：

表1实施例1的测量及计算结果

注：计算得到的q样为恒容燃烧热(qv,m)，根据qp,m-qv,m＝[∑vb(g)]rt计算出恒压燃烧热(qp,m)：其中∑vb(g)为参加反应的气态物质计量数代数和；r为气体常数；t为反应的绝对温度；qp,m、qv,m的量纲为j/mol。

实施例2。一种基于压力测量燃烧热的教具(苯甲酸标定教具的仪器热容常数k值)，测定萘的燃烧热，包括有以下步骤：

a、精确称量点火丝质量为m1，取0.2-0.3g待测样品，压片，再精确称量压好的点火丝和待测样品总质量m2，且待测样品的质量m样＝m2-m1，将压好的点火丝和待测样品装入氧弹12中，然后在0.5—1mpa下30秒对氧弹12充氧，氧弹12的规格为300ml；

b、将氧弹12放置在圆形固定板1上，氧弹12与点火导线6连接，然后把圆筒密封腔体5的下端放入环形固定槽10内，然后分别将固定块3上的固定螺栓4与圆形固定板1上的固定螺母2连接，将圆筒密封腔体5下端的橡胶密封圈11紧压贴合在圆环形固定槽10内，气密性好，并且所述圆筒密封腔体5的外表面设有保温层13，圆形固定板1采用隔热材料制备，教具的隔热性能好；

c、通过圆筒密封腔体5一侧经导管7连接的压差计8记录初始压力为p1后，压差计8的型号为dmp-2p，然后控制点火装置9经点火导线6控制氧弹12点火，当压差计8的压力上升到最大，通过压差计记录压力为p2，即得燃烧反应前后腔体中空气气压改变值△p＝p2-p1；

d、通过旋转固定螺栓4，取消固定螺栓4与固定螺母2的连接，将圆筒密封腔体5打开，取出氧弹12并打开，精确称量未燃烧点火丝的质量为m3，即点火合金丝质量m丝＝m1-m3。

技术数据：

已知点火丝恒容燃烧热文献值：q丝＝6.694kj/g

苯甲酸恒容燃烧热文献值：q苯甲酸＝26.460kj/g

室内温度：20℃

根据：m丝×q丝+m样×q样＝k×(p2-p1)＝k×△p；

式中：m丝：点火合金丝质量，单位：g；q丝：点火合金丝燃烧热，单位：kj/g；m样：待测样品质量，单位：g；q样：样品燃烧热，单位：kj/g；k：所述教具的仪器热容常数，单位：kj/pa；△p：燃烧反应前后腔体中空气气压改变值,单位：pa。

测量及计算结果详细见表2：

表2实施例2的测量及计算结果

注：计算得到的q样为恒容燃烧热(qv,m)，根据qp,m-qv,m＝[∑vb(g)]rt计算出恒压燃烧热(qp,m)：其中∑vb(g)为参加反应的气态物质计量数代数和；r为气体常数；t为反应的绝对温度；qp,m、qv,m的量纲为j/mol。

实施例3。一种基于压力测量燃烧热的教具(苯甲酸标定教具的仪器热容常数k值)，测定蔗糖的燃烧热，包括有以下步骤：

a、精确称量点火丝质量为m1，取0.2-0.3g待测样品，压片，再精确称量压好的点火丝和待测样品总质量m2，且待测样品的质量m样＝m2-m1，将压好的点火丝和待测样品装入氧弹12中，然后在0.5—1mpa下30秒对氧弹12充氧，氧弹12的规格为300ml；

b、将氧弹12放置在圆形固定板1上，氧弹12与点火导线6连接，然后把圆筒密封腔体5的下端放入环形固定槽10内，然后分别将固定块3上的固定螺栓4与圆形固定板1上的固定螺母2连接，将圆筒密封腔体5下端的橡胶密封圈11紧压贴合在圆环形固定槽10内，气密性好，并且所述圆筒密封腔体5的外表面设有保温层13，圆形固定板1采用隔热材料制备，教具的隔热性能好；

c、通过圆筒密封腔体5一侧经导管7连接的压差计8记录初始压力为p1后，压差计8的型号为dmp-2p，然后控制点火装置9经点火导线6控制氧弹12点火，当压差计8的压力上升到最大，通过压差计记录压力为p2，即得燃烧反应前后腔体中空气气压改变值△p＝p2-p1；

d、通过旋转固定螺栓4，取消固定螺栓4与固定螺母2的连接，将圆筒密封腔体5打开，取出氧弹12并打开，精确称量未燃烧点火丝的质量为m3，即点火合金丝质量m丝＝m1-m3。

技术数据：

已知点火丝恒容燃烧热文献值：q丝＝6.694kj/g

苯甲酸恒容燃烧热文献值：q苯甲酸＝26.460kj/g

室内温度：20℃

根据：m丝×q丝+m样×q样＝k×(p2-p1)＝k×△p；

式中：m丝：点火合金丝质量，单位：g；q丝：点火合金丝燃烧热，单位：kj/g；m样：待测样品质量，单位：g；q样：样品燃烧热，单位：kj/g；k：所述教具的仪器热容常数，单位：kj/pa；△p：燃烧反应前后腔体中空气气压改变值,单位：pa。

测量及计算结果详细见表3：

表3实施例3的测量及计算结果

注：计算得到的q样为恒容燃烧热(qv,m)，根据qp,m-qv,m＝[∑vb(g)]rt计算出恒压燃烧热(qp,m)：其中∑vb(g)为参加反应的气态物质计量数代数和；r为气体常数；t为反应的绝对温度；qp,m、qv,m的量纲为j/mol。