测液氮汽化热的测量

数据采集系列之二---测量液氮汽化热

【实验目的】

1．测量液氮汽化热；

2．了解虚拟仪器的工作方法。

【实验原理】

测量液氮汽化热的原理见附录.

数据采集原理

随着计算机技术的进步，人们提出了虚拟仪器的概念。即由把测量仪器的功能分开，前端仅完成把由传感器等获得的电信号变为数字信号，而数字信号的处理由通用计算机完成，两者之间可以通过通用的数据传输接口连接，这样就大大加强了仪器配置的灵活性，极大的扩展了测量功能。现已开发出多种用于虚拟仪器编程的计算机语言，如最有名的LabView。虚拟仪器的构成一般可分以下几个部分：

1. 传感器：负责把非电量信号转换成电信号，如温度传感器，光电传感器等。

2. 信号调理器：负责由传感器来的信号放大、滤波、整形等满足下一级对信号的要

求。

3. 模拟-数字转换器：负责把模拟信号转换成数字信号。

4. 驱动器：负责完成计算机发出的指令，产生相应的电信号。

5. 接口：负责前端硬件电路与计算机之间的信号交换、电气隔离等。

6. 通用计算机：负责对获得的信号处理、人机界面的信息交换，并管理整个测量工

作及通讯等。

在本实验中使用的虚拟仪器，由1、2、3、5、6几部分构成。其中2、3、5已组装在一个盒子内，构成一个数据采集器，与计算机的接口为RS-232。计算机的编程语言是LabView。

【实验仪器】

附录.

【实验内容】

见附录

【注意事项】

在灌注液氮时要掌握轻、缓的原则，切忌动作过猛，造成液氮溅射。

【附录】

用数据采集卡测量液氮的汽化潜热

余建波1

上海交通大学物理系 上海 2004

摘要：本文通过电脑数据采集的方式观测液氮汽化过程，实验得到的液氮汽化曲线。根据铜块在低温时的热容量变化曲线计算铜块所放出的热量计算出液氮的汽化潜热。

关键词：计算机数据采集 液氮的汽化潜热 铜的热容量

液氮汽化过程数据变化很快、波动大，电脑数据采集具有采集频率高（10-100点/秒）、分辨率高等优点。通过数据采集的方式可以及时显示液氮汽化以及通过释放热量加速汽化的过程。采集的数据通过作图对比，可以做出一条拟合的汽化曲线，计算出液氮的汽化潜热。

1 实验原理

在本实验中，液氮被置于一个塑料泡沫的液氮容器中，将装好液氮的容器及质量为 M Cu 的铜块放在重量传感器上面。此时液氮自由汽化，表现为图1中的a

b 过程，一段时间以后，液氮表面汽化趋于平稳的时候将温度为室温的小铜柱放入液氮中。液氮因吸热而剧烈汽化，表现为b

c 部分，直至铜柱与液氮温度相等,在此过程中重量传感器记录下总体重量M 与时间t 的变化情况。[1]

图1液氮质量与时间(t)的变化情况

液氮自然汽化的部分可以根据ab 和cd 的斜率推算，实验过程中，放

入铜块以后汽化明显加剧，这部分的加剧使得ab 和cd 两部分斜率不一样，所以在铜块置入液氮那段时间内液氮的自然汽化应为cd 的反向延长线ec 。

液氮吸收铜块热量汽化的质量

c b ec m=m -m -m ∆

（1）

c m 为液氮在c 点的质量，b m 为液氮在b 点的质量 ec m 为液氮自然汽化部分

传感器为线性传感器，质量变化和传感器的电压变化即输出信号成正比即M=k U ∆ ，汽化热的

公式为L=/M Q ∆∆

其中 12ec M=k(U -U -U )∆∆ （2）

1

余建波 男 硕士 上海交通大学物理实验中心 计算机数据采集 网络信息化

t

1U 为 b 点的电压，2U 为c 点的电压，ec U ∆为e 点与c 点的电压差值。

Q ∆为铜块从室温降到液氮温度所放出的热量，我们将在数据处理中讨论Q ∆的计算。

2 实验仪器

传感器及数据采集卡

图2 实验计算机数据采集系统

直流恒压源提供10V 的直流电压给重力传感器，传感器的（参数）数据采集卡有两个通道，在本次实验中只采用一个通道，采集过程中以时间为横坐标。由于传感器输出的信号在mv 级，而电脑采集的电压为－5v ～＋5v ，电压信号通过采集卡放大输入。 实验中还将用到1～200g 砝码、20g 左右的铜柱块、液氮容器（塑料泡沫制）及液氮等。

3 数据采集测量过程 实验前先通过20g 的砝码给传感器定标，得到一条定标曲线，如图3。 先将液氮倒入液氮容器，等汽化趋于平静以后置于传感器上，开始采集液氮自然汽化的曲线（A 点），此时将铜块也放在重力传感器上（B 点），时间尽量长一些，趋于平静后（C 点），再将铜块投入液氮中（D 点），液氮加速汽化数据变化很快，可以实时在电脑显示器中看到，等到铜块温度达到液氮温度（会有一声剧烈的响声）（E 点）。采集到的电压又将趋于平静，等液氮表面汽化趋于自然的时间即可停止采集（F 点）。

整个实验过程可以得到如图4的曲线。

图3 实验图片

恒压源

数据采集卡

电脑及软件

图4 实验曲线

4 数据处理

采集曲线作图，采集所得的曲线（图4）不能通过拟合得到曲线，只能通过作图法确定几个点。 利用 H 参数[1] 数据处理过程中我们将铜块所放出的热量通过两种办法计算，第一种办法为铜块的焓值，第二种办法为铜块的热容量曲线拟合积分。通过对比两种计算的结果。

利用铜的焓参数计算

铜块在80K 和300K 的焓值分别为79.6 kJ/kg 和6.02 kJ/kg [2]

Q ∆＝Cu M (H 300K －H 78K ) =Cu M 73.04 kJ/kg

（3）

利用Cu 的比热容曲线积分计算

表 1 铜块在T=70-300K 时的热容量C[3]

T(K) 70 80

90

100

110

120

130 140 p C J/kg K ⋅)

171.5 202.7 229.47 252.17 271.17 287.2 300.7 312.2 T(K) 150 160 170 180 190 200 210 220 p C (J/kg K ⋅)

322.0 330.6 338.0 344.5 350.0 355.0 359.4 363.5 T(K) 230 240 250

260

270

280 290 300 p C (J/kg K ⋅)

367.1

370.2

373.1 375.80 378.3

380.7

382.9

384.8