一种用于教学演示的降温装置及实验方法与流程

技术领域：

本发明涉及教学演示仪器技术领域，特别是涉及一种用于教学演示的降温装置。

背景技术：
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学生在学习理论知识时，辅助于教学教具和实验装置，能够加深学生对所学知识的理解和掌握，提高学生的学习兴趣。在现有的吸热降温等的教学中，缺少合适的随堂降温实验装置，老师只依靠理论讲解，学生兴趣不够浓厚，也不能直接感受实验操作过程，难以理解实验结果，导致教学效果差，达不到理想的教学目的。

针对以上问题，本发明提供一种用于教学演示的降温装置，能够直观展示水蒸发降温的过程，且整体结构简单，可以由学生直接操作，提高教学的趣味性，让学生了解水吸热散热的性能。

技术实现要素：
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本发明目的在于提供一种用于教学演示的降温装置，以达到提高教学演示模型的直观性和演示效果的目的，使学生了解水和水蒸气相互转变的过程，补充现有随堂降温实验装置的空白。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种用于教学演示的降温装置，其特征在于，该降温装置包括储水箱、导气导水管和抽气泵，所述储水箱上设有供气体和水进出的开口，储水箱的开口通过导气导水管连接抽气泵，抽气泵连接外部水源；所述储水箱及导气导水管均为透明材质。

所述储水箱的内壁上间隔设有支撑部件，优选支撑部件为圆柱管。

所述导气导水管包括导水管和导气管两个支路，对应的储水箱上设有两个开口，两个开口分别为出气口和进水口，出气口与导气管连接，进水口与导水管连接；所述导气管、导水管和抽气泵之间通过一个三通接口连接；装置在所有接头处进行密封处理。

所述导水管和导气管均呈l型，导气管的水平段经三通接口连接抽气泵接口，导气管的竖直段连接储水箱的出气口；导水管的水平段连接储水箱的进水口，导水管的竖直段连接在三通接口的第三端上；导水管的水平段位于导气管水平段的下方，抽气泵联通水源，水依靠重力作用，经导水管流入储水箱，此时抽气泵不工作；注入到位后，停止注水，抽气泵工作。

所述导气管的水平段向三通接口方向倾斜，使水源经抽气泵后都由导水管进入储水箱。

储水箱1为长为0.2m、宽为0.06m、高为0.2m的空心长方体；有机玻璃壁厚3mm，储水箱内间隙分布的圆柱管2直径为10mm；导气管5和导水管6均由壁厚3mm，外径为30mm的有机玻璃管制成，导气管5的水平段长度为200mm，导水管5的竖直段长度为150mm。

所述储水箱上标注有容积刻度。

所述储水箱为透明有机玻璃制成的空心长方体；所述导气管和导水管均为有机玻璃材质，弯折处采用有机玻璃透明弯管；在抽气泵与导气导水管直径不匹配时采用变径接头连接，并在连接处进行密封处理。

本发明还保护一种用于教学演示的降温实验方法，该方法采用上述的降温装置，方法的步骤为：

1)实验前准备：准备温度计、储水箱、抽气泵、导气导水管、连接件及密封胶，并按照上述连接方式连接降温装置，温度计置于降温装置附近区域内；

2)实验演示：导气导水管经抽气泵连接水源，将冷水喷入储水箱中，冷水在储水箱内流动的过程中与储水箱内壁接触；冷水注入至合适位置后，停止注水，此时打开抽气泵，利用抽气泵抽取储水箱内部的空气，降低储水箱内气压，达到水的沸点；观察储水箱内部及导气导水管上的水及气体的物态变化，同时读取温度计的读数；

3)关闭抽气泵，当水蒸发变为水蒸气从储水箱的开口沿着导气导水管导出时，让水蒸气通过导气导水管冷凝为液体；冷凝的水从储水箱的进水口再次进入储水箱内，形成循环。

本发明另一种降温实验方法，该方法采用上述的降温装置，方法的步骤为：实验前进行分组实验，每组准备温度计、储水箱、抽气泵、导气导水管、连接件及密封胶，并按照上述连接方式连接降温装置，温度计置于降温装置附近区域内；将储水箱和导气导水管、温度计用透明外罩罩起来，且已知所罩起的空间体积，

记录当前的温度计的读数，设定降温的目标温度，并由学生计算出降至该目标温度所需的实验时间及所需的水量，然后进行实验；

实验中，向储水箱中注入大于所需水量的水，且不注满，然后开动抽气泵，并调至计算所需的抽气泵功率，时刻观察过程中储水箱及导气导水管上的物态变化并记录温度变化，当温度达到设定的目标温度时，停止实验，记录实验时间。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1.本发明降温装置的温度应用范围适用于日常教学工作，环境温度低于40℃，即t1≤40℃，既可以用于教学演示，也可以用于学生动手实验，实验过程目标温度与环境温度的差值一般为15摄氏度以内。用于教学演示时，整套装置可以是不可拆卸的，直接进行过程解说及演示操作；动手实验时，整套装置为可拆卸的，由学生自主完成实验设备搭接、目标温度设定及相关抽气泵功率调整，装置整体结构简单，可以由学生直接操作，提高教学的趣味性。

2.本发明所述降温装置的储水箱形状规则，体积小，采用透明有机玻璃，能够直观展示水蒸发降温的过程，且不易损坏，满足日常教学演示工作，易于保存。

3.本发明采用水为降温装置的液体介质，绿色环保无污染，采用透明有机玻璃，易于观察，提高了教学演示模型的直观性和演示效果，补充现有随堂降温实验装置的空白；同时也能增强学生动手能力，感受水在不同气压下的物态变化。

4.本发明降温装置通过冷水蒸发吸收能量的作用方式，展示了水蒸发吸热的过程：通过导水管和进水口将冷水喷入储水箱中，冷水在储水箱内流动的过程中与圆柱管接触，能吸收部分热量；利用抽气泵抽取储水箱内部的空气，降低箱内气压，达到水的沸点，水沸腾蒸发；水蒸发变为水蒸气，吸收大量的热，产生的水蒸气从储水箱的出气口沿着导气管导出；导出的水蒸气经过导气导水管冷凝为水，随后从储水箱的进水口进入储水箱形成循环。

附图说明：

附图1是降温装置构造平面示意图。

附图2是降温装置构造立面示意图。

附图3是降温装置储水箱三视图。

附图4是温度与蒸发1m³水蒸气所要吸收的热量的拟合曲线图。

图中：1-储水箱，2-圆柱管，3-出气口，4-进水口，5-导气管，6-导水管，7-抽气泵。

具体实施方式：

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述，但本发明的结构不仅局限于以下实施例。

参阅图1，本发明一种用于教学演示的降温装置，包括储水箱1、导气管5、导水管6、抽气泵7，所述储水箱1上设有出气口3、进水口4，且出气口3与导气管5连接，进水口4与导水管6连接；所述导气管5、导水管6和抽气泵7之间通过一个有机玻璃三通接口连接。

所述储水箱1为透明有机玻璃制成的空心长方体，内有间隔分布的支撑部件，以防止储水箱在气压改变时引起变形。优选支撑部件为圆柱管2，也可以采用方管、支撑板等形式，防止气压改变时储水箱发生巨大变形。

所述导气管5和导水管6均为有机玻璃材质，连接处采用有机玻璃透明弯管。

所述抽气泵7用以抽取储水箱的空气和导气管传来的水蒸气，型号的选择可因地制宜，没有特别要求。所述抽气泵7与导水管6二者接口处直径不匹配，采用变径接头连接，并利用橡胶管密封固定。

所述降温装置的温度应用范围适用于日常教学工作，环境温度低于40℃，即t1≤40℃。

本发明降温装置通过冷水蒸发吸收能量的作用方式，展示了水蒸发吸热的过程：通过导水管6和进水口4将冷水喷入储水箱1中，冷水在储水箱1内流动的过程中与圆柱管2接触，能吸收部分热量；利用抽气泵7抽取储水箱1内部的空气，降低箱内气压，达到水的沸点，水沸腾蒸发；水蒸发变为水蒸气，吸收大量的热。

能量转换机理是：

理想气体状态方程式：

pv＝nrt(1)

其中，p代表状态参量压强，v代表气体体积，n代表物质的量，t代表绝对温度，r为气体常数约为8.314pa·m³/mol·k。

水蒸发吸收的热量将转化为气化潜热，进而引起潜热交换，计算得到水蒸发为1m³水蒸气所要吸收的热量q1：

q1＝c水m水(2)

其中，c水是水的汽化潜热。根据理想气体状态方程式(1)，结合水的汽化潜热表(前三列)计算出，不同压力所对应的不同沸点下，相应的1m³水蒸气的摩尔质量，从而计算出水蒸气的质量m水(h2o的相对分子质量为18)，最后根据式(2)计算得出相应状态下水蒸发为1m³水蒸气所要吸收的热量，总结成下表1。

表1储水箱中不同温度压力下水蒸发为1m³水蒸气所吸收的热量

根据表1找出沸点与热量之间的对应关系，进行函数拟合，拟合曲线如图4所示，其中，横坐标为温度t，单位为℃；纵坐标为热量q，单位为kj。关系式为

q＝0.218t²-10.475t+162.16(3)

对关系式在初始环境温度t1和目标环境温度t2之间进行积分，得到从初始环境温度t1下降到目标环境温度t2的吸收热量公式如下式(4)，

其中，q2为蒸发1m³水蒸气从初始环境温度t1下降到目标环境温度t2时吸收的热量，单位为kj，t为温度，单位为℃。

理想情况下比热容公式：

q2＝cmδt＝cρvδt(5)

其中，c为比热容，单位为j/(kg·℃)，ρ为空气的密度，单位为kg/m³，v为空气的体积。

根据式(5)计算出蒸发1m³水蒸气使得环境温度从t1下降到t2时，此装置吸收的热量所能降温的空气的体积为v。

根据实际所需降温环境的空气体积v总m³可计算出：

功率公式：

其中，p表示功率，单位是w，time表示时间，单位是秒(s)。

利用式(8)计算出蒸发1m³水蒸气使得体积为v总m³的空气环境温度从t1下降到t2时所需的时间。

由此可得，将体积为v总m³的空气的温度从t1下降到t2时，需要蒸发αm³的水蒸气，总吸热量为αq2kj，所需的时间为time。

本发明用于教学演示的降温实验方法，采用上述的降温装置，方法的步骤为：

1)实验前准备：准备温度计、储水箱、抽气泵、导气导水管、连接件及密封胶，并按照上述连接方式连接降温装置，温度计置于降温装置附近区域内；

2)实验演示：导气导水管经抽气泵连接水源，将冷水喷入储水箱中，冷水在储水箱内流动的过程中与储水箱内壁接触；冷水注入至合适位置后，停止注水，此时打开抽气泵，利用抽气泵抽取储水箱内部的空气，降低储水箱内气压，达到水的沸点；观察储水箱内部及导气导水管上的水及气体的物态变化，同时读取温度计的读数；

3)关闭抽气泵，当水蒸发变为水蒸气从储水箱的开口沿着导气导水管导出时，让水蒸气通过导气导水管冷凝为液体；冷凝的水从储水箱的进水口再次进入储水箱内，形成循环。

本发明一种降温实验方法的步骤为：实验前进行分组实验，每组准备温度计、储水箱、抽气泵、导气导水管、连接件及密封胶，并按照上述连接方式连接降温装置，温度计置于降温装置附近区域内；将储水箱和导气导水管、温度计用透明外罩罩起来，且已知所罩起的空间体积，

记录当前的温度计的读数，设定降温的目标温度，并由学生计算出降至该目标温度所需的实验时间及所需的水量，然后进行实验；

实验中，向储水箱中注入大于所需水量的水，且不注满，然后开动抽气泵，并调至计算所需的抽气泵功率，时刻观察过程中储水箱及导气导水管上的物态变化并记录温度变化，当温度达到设定的目标温度时，停止实验，记录实验时间。

实施例1

本实施例降温装置，包括储水箱1、导气管5、导水管6、抽气泵7。所述储水箱1上设有出气口3、进水口4，且出气口3与导气管5连接，进水口4与导水管6连接；所述导气管5、导水管6和抽气泵7之间通过一个有机玻璃三通接口连接。

本实施例中，储水箱1为长为0.2m、宽为0.06m、高为0.2m的透明有机玻璃制成的空心长方体，有机玻璃壁厚3mm，储水箱上标注有容积刻度，内间隔分布的圆柱管2直径为10mm，等间距交错布置，以防止储水箱变形。

本实施例中，导气管5和导水管6均呈l型，均是壁厚3mm，外径为30mm的透明有机玻璃管材质，弯折处采用有机玻璃透明弯管。

本实施例中，导气管5为l型弯管，水平段长度约为200mm，导水管5的竖直段长度约为150mm。

本实施例中，抽气泵7与导气管6接口处直径不匹配，采用变径接头连接，在连接处利用橡胶管和密封胶密封固定，抽气泵7的型号采用诺尔奇bxf-100ipx2，额定功率是50w。

本实施例用于教师教学演示的实验过程如下：

1)实验前准备：教师在上课前，准备温度计、降温装置和透明外罩，透明外罩所罩的空间体积大约为1m³。透明外罩表面可以进行透明保温处理。

2)实验演示：教师向储水箱中注入小于储水箱体积的小部分水，将温度计置于降温装置附近区域内，用透明外罩将储水箱和导气导水管、温度计罩起来，记录当前温度计读数及水的体积刻度。

3)打开抽气泵，抽取储水箱的空气，降低储水箱体内气压，达到水的沸点；学生可以观察到，水蒸发为水蒸气，也可以看到储水箱及导气导水管上的物态变化；在这个过程中时刻记录温度变化，可以看到温度在慢慢下降。

4)关闭抽气泵，水蒸气从储水箱的开口沿着导气导水管导出，水蒸气通过导气导水管冷凝为液体，冷凝的水从储水箱的进水口可再次进入储水箱内，形成循环。

本实施例1展示了教师用于教学演示的实验过程，降温装置的整套装置是不可拆卸的，可以是教师在上课前，提前将储水箱、抽气泵、导气导水管、连接件按照上述方式连接并密封好的，也可以是降温装置加工制作时制作的不可拆卸版。

实施例2

本实施例2使用实施例1中的降温装置，但降温装置是可拆卸组装的。

本实施例2用于学生分组进行实际动手操作实验，学生进行实验时，可进行降温装置连接、目标温度设定及进行实验计算等操作；在实验过程中，学生自主完成实验的整个过程，提高学习的趣味性，培养学生的动手能力，体验到小组合作的快乐。

实验过程如下：

1)组装实验装置：学生进行分组实验，每组准备温度计、透明外罩、储水箱、抽气泵、导气导水管、连接件及密封胶，小组成员分工合作，按照实施例1所述的连接方式连接降温装置；将温度计置于降温装置附近区域内，用透明外罩将储水箱和导气导水管、温度计罩起来，透明外罩所罩的空间体积大约为1m³。

2)计算实验所需数据：小组成员讨论设定目标温度，并计算出降至该目标温度所需的实验时间及所需的水量。

示例计算过程如下：

已知抽气泵7的型号采用润玺增压75型，功率是120w，设目标温度t2＝24℃，读取当前温度计读数t1＝28℃；

根据式(4)计算得到蒸发1m³水蒸气从初始环境温度t1下降到目标环境温度t2时吸收的热量q2：

根据比热容公式(6)计算蒸发1m³水蒸气使得环境温度从t1下降到t2时，所能影响的空气的体积v：

根据实际所需降温环境的空气体积即透明外罩所罩的空间体积v总可计算所需水蒸气的体积：

利用式(8)计算1m³的环境温度从t1下降到t2时所需的时间：

由此可得，将体积为1m³的空气的温度从28℃下降到24℃时，需要蒸发0.14m³的水蒸气，所需的时间为175秒。

3)实验操作：学生向储水箱中注入大于所需水量的水，且不注满，然后开动抽气泵，利用抽气泵抽取储水箱内部的空气，降低储水箱内气压，达到水的沸点；观察储水箱内部及导气导水管上的的物态变化并记录温度变化，当温度达到设定的目标温度时，停止实验，记录实验时间与计算时间对比。

实施例3

本实施例3使用实施例2中的降温装置。

本实施例3无需计算，目的在于培养学生的合作和动手能力，学生自己动手进行实验降温装置的组装，进行实验操作，观察降温装置内的物态变化并记录温度变化。

本实施例3实验过程如下：

1)组装实验装置：此步骤与实施例2相同。

2)实验操作：学生向储水箱中注入部分水，且不注满，然后开动抽气泵，利用抽气泵抽取储水箱内部的空气，降低储水箱内气压，达到水的沸点；观察储水箱内部及导气导水管上的的物态变化并记录温度变化，可以看到温度在慢慢下降。

3)观察实验装置内水量变化，可选择任意时间停止实验，记录实验时间。

4)进行循环实验：关闭抽气泵，水蒸气从储水箱的开口沿着导气导水管导出，水蒸气通过导气导水管冷凝为液体；冷凝的水从储水箱的进水口可再次进入储水箱内，形成循环。

以上对本发明的合理实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不局限于所述实施例，任何熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出同等替换或改变，都应包含在本发明的保护范围内。

本发明未述及之处适用于现有技术。