物化实验 恒温槽的性能测定

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物理化学实验
恒温槽的装配与性能测定
波动情况。该实验用较灵敏的贝克曼温度计，在 一定的温度下，记录温度随时间的变化。如记最 高温度为 t1，最低温度为 t2，恒温槽的灵敏度为
t = ± t1 − t2 2
灵敏度常以温度为纵坐标， 以时间为横坐标 绘制成温度——时间曲线来表示，如图 1：
○4 实验装置：
• 本实验使用的恒温原理：通过电子继电器对加热器 自动调节，当恒温槽因热量向外扩散等原因使体系 温度低于设定值时，继电器迫使加热器工作，到体
系再次达到设定的温度时，又自动停止加热，本质 是利用热惯性，即到达设定温度时，热惯性使之温 度继续升高，越过设定值，温度低于设定值时，热 惯性使之继续降低，低于设定值。之后通过搅拌器 使热量均匀。恒温控制器在控温的同时，精确地反 应了被控温部位的温度值。 • 实验过程中可能影响恒温槽性能的变量： a.介质：介质流动性好，热容大，则灵敏度高； b.定温计：其热容小,与恒温介质的接触面大，水银
周期
（组 1）0.005 217
（组 2）0.118 2326
（组 3）0.064 818
灵敏度（±℃） 通冷凝水
周期
（组 4）0.017 185
（组 5）0.102 337
（组 6）0.067 503
总体比较，超级恒温水浴自带控温装置（以下简称恒温水浴）的灵敏度远大于继电器与恒定加热电压装置
（以下简称加热器），冷凝水对恒温水浴的影响和加热器的影响不尽相同，但基本使控温装置更加灵敏。具体
○2 实验试剂：蒸馏水 ○3 实验过程：
a.将贝克曼温度计调节好，使其水银柱在 25℃时 停止在中间位置。
b. 恒温槽灵敏度测量： 1.机械自动化控制，将恒温水浴开至 25.00℃， 至恒温时，用电脑测量记录温差△T 与时间 t 的变化曲线： 2.不同加热电压情况下的恒温控制及其恒温槽 性能比较：分别使用 175V 和 125V 的恒定电 压进行加热，等继电器不断地开关跳动表现 恒温以后，测量温差△T 与时间 t 的变化曲线： 3.打开冷凝水开关，重复步骤 1、2 操作。
误差： 1、读数时的误差：在多个点处均有最值，即在
可见，冷凝水的引入反而使恒温水浴的灵敏度数值增大，温差变大，偏离设定温度更大，这一定程度
上与冷凝水的水流大小不定有关系，使短暂时间段内温差变化变大；但周期依然变小，这是因为冷凝水使 温度变化变快，导致恒温水浴每次的加热间隔变小，周期变小。
4、有无冷凝水对恒定加热电压的影响： a.对于恒定高压加热：比较第 2 组和第 5 组：
关键词：恒温槽 性能测定
The Study the Performance of the Thermostatic Baths
ZhiWei Fang Department of Chemistry，Schools of chemistry and Materials Science， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China
b.从时间上看，超级恒温水浴周期最短，温度最快稳定, 而加热器周期明显更大。 另外，加热器对应的的曲线具有周期性，因为其加热功率是恒定的。而恒温水浴的图像不具有明显的
周期性，说明其加热机制约加热器不相同，具有“变频”的特征，可以智能控制加热功率的大小。
2、不同恒定加热电压的影响：由第 2 组和第 3 组（或 5 与 6）：
Keyword: thermostatic bath，performance measurement
一、前言
• 恒温槽的作用：使用恒温槽是为了创造一个特定的 恒温环境，经常需要高于室温的恒温状态；
• 欲达到高高于室温的恒温状态的方方法： a.体系—环境之间静态的理想绝热； b.体系—环境之间动态的近似绝热：当体系会连续、 稳定地向环境散热时，环境通过另外的方式向体 系连续、稳定地传递几乎等量的热量； c.在物质的相变点，利用两相共存的物质获得恒温； d.实验将采用的继电器式的控温装置；
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2、外部电子继电器控温装置，加热电压 175V， 不通冷凝水。部分温差—时间曲线如图 4：
4、超级恒温水浴自带控温装置；通冷凝水。 部分温差—时间曲线如图 6：
图 4 恒定加热电压 175V，不通冷凝水的温差—时间曲线
由最大值减去对应最小值得到温差△T=TmaxTmin，温差的平均值为 0.236℃，得恒温槽灵敏度： t=±0.118℃。
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恒温槽的性能测定
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摘 要 ： 本实验我们使用贝克曼温度计来了解温度变化，若实验时间较长，我们一一般采用电子子设备来了解 实验时的温度变化。恒温槽之所以可以使温度恒定，主要是依靠恒温控制器来控制恒温槽的热平衡。当恒 温槽的热量由于对外散失而而使其温度降低时,恒温控制器就驱使恒温槽中的电加热器工工作，待加热到所需要 的温度时,它就会使其停止止加热,，使恒温槽温度保持恒定。实验通过测定恒温槽在不同电压，不同装置下的 恒温性能，以了解实验精度的影响因素以及认识恒温实验中对恒温仪器的选取要求。
图 12 第 2 组和第 5 组的温差—时间曲线比较
b.对于恒定低压加热：比较第 3 组和第 6 组：
图 13 第 3 组和第 6 组的温差—时间曲线比较
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由图 12、13 可见，冷凝水的引入使加热器的周 期变小，这是因为冷凝水使温度变化变快，导致加热 器每次的加热间隔变小，周期变小；这是因为理论上 系统与环境温度的温差（冷却水的存在与否）决定热 传导速度,温差越大，热传导速度越快，温差越小热传 导速度越慢；加热电压决定系统的加热速度,电压越大 升温越快。当电压一定时，若温差较小大则散热的速
3、有无冷凝水对恒温水浴的影响：比较第 1 组和第 4 组：
图 11 第 1 组和第 4 组的温差—时间曲线比较
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联系数据：
未通冷凝水
灵敏度（±℃） 周期
（组 1）0.005 217
通冷凝水
灵敏度（±℃） 周期
（组 4）0.017 185
图 10 第 2 组和第 3 组的温差—时间曲线比较
由2、3两曲线可知，电压与灵敏度应呈现负相关，即加热电压越高，周期越长，灵敏度数值越大，且 变化越显著，温差越大，恒温效果越差。 这是因为电压越大，加热功率越大，升温速度越快。因为温度有 一个传递和扩散的过程，所以继电的开闭必然有一个时间滞后。当继电器从连通到断开的时候电阻丝又为 体系多加了很多热量, 使其温度超过所要求温度。电压越大，温度波动越剧烈，最终使灵敏度降低。
周期最大值 1348，最小值 1303，平均值 1326.
3、外部电子继电器控温装置，加热电压 125V， 不通冷凝水。部分温差—时间曲线如图 3。
图 6 恒温水浴箱，通冷凝水的温差—时间曲线
由最大值减去对应最小值得到温差△T=TmaxTmin ， 温 差 平 均 值 为 0.034 ， 恒 温 槽 灵 敏 度 ： t=±0.017℃。
三、实验结果与讨论 ①实验结果：（具体数据处理见“12019 方志伟实
验 1 报告附件数据处理”） 不同条件下的温差-时间曲线与恒温槽的灵敏
度的关系： 1、﹅ 超级恒温水浴自带控温装置；不通冷凝水。 部分温差—时间曲线如图 3：
图 3 恒温水浴箱，不通冷凝水的温差—时间曲线
由最大值减去对应最小值得到温差 △T=Tmax-Tmin，温差的平均值为 0.010℃，恒温槽 灵敏度：t=±0.005℃。周期最大值 294，最小值 127， 平均值 217。
与铂丝和毛细管壁间的粘附作小，灵敏度高； c.加热器：加热功率越小灵敏度越高; d.搅拌器：搅拌速度须足够大，使恒温介质各部分
温度能尽量一致； e.部件位置：加热器放在搅拌器附近，使热量迅速
传到各部份。定温计要放在加热器附近，测定温 度的温度计应放在被研究体系的附近。 • 恒温槽灵敏度的测定：在指定温度下观察温度的
周期最大值 263，最小值 132，平均值 185
5、外部电子继电器控温装置，加热电压 175V 通冷凝水。部分温差—时间曲线如图 7：
图 5 恒定加热电 125V，不通冷凝水的温差—时间曲线
由最大值减去对应最小值得到温差△T= Tmax Tmin，温差平均值为 0.128℃，得恒温槽灵敏度： t=±0.064。周期最大值 852，最小值 781，平均值 818。
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图 1 灵敏度的温度——时间曲线
(a) 恒温槽灵敏度较高；(c) 加热器功率太大；
(b) 灵敏度较低；
(d) 加热器功率太小或散热太快。
二、实验部分
图2 实验装置图 1-浴槽；2-加热器；3-搅拌器；4-温度计;； 5-热敏电阻探头； 6-恒温控制器；7-温度计
○5 实验记录： 见 ftp：/12019 方志伟实验 1 报告/“原始数据”
○1 实验设备： HK-2A型超级恒温水浴（南大应用物理研究所）； JDW-3F精密电子温差测量（南大应用物理研究所）； DHJF-2005低温恒温搅拌反应浴（郑州长城科工贸 有限公司）； 6402型电子继电器（海宁市新华医疗器械厂）； TDGC2-3KVA型接触调压器（上海全力电器公司） 贝克曼温度计，0～50℃的1/10的温度计； 搅拌马达，电加热丝，导线若干；
比较及分析见下：
1、恒温水浴与加热器的比较：由第 1 组和第 2 组（或 1 与 3、4 与 5、4 与 6）：
图 9 第 1 组和第 2 组的温差—时间曲线比较
显然，恒温水浴的恒温效果比加热器的效果好：
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a.从灵敏度上看，在环境温度相同时，恒温水浴控制的灵敏性远高于采用电子继电器控制的灵敏性， 恒温 水浴的灵敏度可以小于0.01，而加热器的灵敏度数值远大于超级恒温水浴的灵敏度；可能是因为加热 继电器的热敏电阻的反应时间比恒温水浴中的要慢；
Abstract: We use Backman thermometer to help get a steady temperture, but if the experiment lasts for a long time we usually use computer to record the tempeture. The reason why thermostatic bath can keep a constant temperature is when the temperature is lower to the setting temperature, the heater works,otherwise it stops. In my experiment ,I want to explore the factors that can influence the sensitivity of thermostatic bath. By changing the voltage of heater, we finally know the performance of thermostatic bath.
图 7 恒定加热电压 175V，通冷凝水的温差—时间曲线
由最大值减去对应最小值得到温差 △T=Tmax-Tmin，温差平均值为 0.203，恒温槽灵敏 度：t=±0.102℃。周期最大值 361，最小值 325， 平均值 337
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6、外部电子继电器控温装置，加热电压 125V，通冷凝水。部分温差—时间曲线如图 8：
图 8 恒定加热电压 125V，通冷凝水的温差—时间曲线
温差平均值为 0.133，恒温槽灵敏度：t=±0.067℃。周期最大值 503，最小值 458，平均值 481。
○2 结果讨论：
综上，得到如下表格
超级恒温水浴自带控温装置 恒定加热电压 175V 恒定加热电压 125V
灵敏度（±℃） 未通冷凝水