液体比热容（精选九篇）
液体比热容 篇1
关键词：液体比热容,改进,测定,实验装置
一、引言
比热容是单位质量的物质温度升高1℃时需吸收的热量,它的测量是物理学的基本测量之一,属于量热学的范畴。量热学在许多领域都有广泛应用,特别是在新能源的开发和新材料的研制中,量热学的方法是不可缺少的。比热容的测量方法很多,如:混合法、冷却法、比较法等[1]。本实验采用的是比较法中的一种———电热法测定液体的比热容。单量热器加热装置是电热法测量液体比热容的实验中常用的,在测量过程中由于搅拌器的搅拌作用使回路中的电流不太稳定,这无疑影响了测量结果的准确度。而用比较法测量液体的比热容时,为了消除因电阻的不同而产生的系统误差,需要进行交换测量[2]。同时,温度的测量一般采用的是酒精温度计,存在温度读取误差大、读数不方便、单次测量引入随机误差的可能性大等诸多不良因素[3,4,5,6]。针对上述问题,本文改进了测定液体比热容的实验装置和测量方法,并使用改进后的实验装置和方法测量了水的比热容,实验证明,测量的准确度有了很大的提高。
二、实验装置
常用的测量液体比热容的实验装置中的搅拌装置是一根铝制环形搅拌棒,用该搅拌棒进行搅拌时,搅拌不均匀,且环形搅拌棒只能近似贴着杯壁上下运动。因此,待测液体的温度很不均匀,量热器内液体的温度差可达0.5℃,由此可见,温度计测出的温度并不能代表该待测液体的真实温度[7]。同时,在测量过程中,铝棒本身的温度也会上升,这进一步加大了实验误差。因此,我们对该装置的这些不足进行了改进:使用带自动搅拌机的搅拌杯来作为承装实验液体的容器。该搅拌杯通过电缆线与测定仪相连接,进行实验时,只要按下测定仪上的“搅拌”按钮,搅拌器就会自动搅拌。同时,我们采用温度传感器来测量温度,减少了读取温度计的读数时产生的误差。利用改进后的实验装置,我们测量了水的比热容,通过实验,我们可以得到,使用改进后的实验装置和测量方法进行实验时,搅拌非常均匀,搅拌杯中不同位置的液体温度相差非常小。与原设备相比,液体的温度相对均匀了很多,这样,从液体中任意位置测出的温度都可以代表待测液体整体的温度,且利用温度传感器测出的温度更加准确,这使得测量结果的准确度有了很大提高。
三、实验公式
如图1所示,在量热器中装入质量为m,比热容为c1的待测液体(如水),当通过电流I时,根据焦耳-楞次定律,量热器中电阻产生的热量为
式中,I为电流强度,U为电压,t为通电时间。
如果量热器中水(包括量热器及其附件)的初始温度为T1,在吸收了加热器释放的热量Q后,终了的温度为T2。m2为不锈钢量热器内筒的质量,c2为其比热容,搅拌器和温度传感器等用水当量ω表示,水的比热容为c1,则有
不锈钢在25℃时的比热容c2为0.120cal·g-1·℃-1(或0.502J·g-1·℃-1),水在25℃时的比热容c2为0.9970cal·g-1·℃-1(或4.173J·g-1·℃-1)。本量热器的水当量ω=6.68g。
四、实验数据及处理
采用改进后的实验装置,我们测量了水的比热容,具体的测量数据如表1所示。
由上面的计算,我们可以看出,水的比热容的相对误差为0.48%,小于1%,该结果说明,改进后的实验装置和测量方法具有非常高的精确度,说明改实验装置和实验方法具有很好的精度。
结束语
本文对以往的电热法测定比热容的实验装置和测量方法进行了改进,并利用改进后的实验装置和方法测量了水的比热容,实验发现,利用改进后的实验装置和方法测量水的比热容具有很高的精度,这在实际应用上具有一定的价值。
参考文献
[1]李书光,王殿生.物理实验教程[M].东营:中国石油大学出版社,2006:90-95.
[2]王文周.对电流量热器法测定液体比热容实验的改进[J].物理实验,2001,21(8):38-39.
[3]阎向宏,张亚萍.电热法测液体比热容实验的改进[J].大学物理,1997,16(7):23-24.
[4]张荣鹏,何中凯.气体比热容比的实时测量和数学分析[J].实验室研究与探索,2005,24(1):72.
[5]赵小明,刘志刚.液体定压比热容的理论推算[J].工程热物理学报,1996,17(1):17.
[6]赵小明,陆世豪.准稳态法测量液体比热容的实验研究[J].工程热物理学,2004,25(增刊):24.
比热容 篇2
掌握并理解比热的概念
教学难点
掌握并理解比热的.概念
教学方法
讲授、实验
教 具
温度计、煤油、水、电加热器、天平
知识内容
教师活动
学生活动
一、实验
(1)常见有关比热现象
(2)煤油、水对比实验
二、比热
单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量，叫做这一物质的比热容．
单位质量的某种物质温度降低1℃所释放的热量也等于比热．
比热的单位是焦／(千克・℃)
三、比热表
四、水的应用
由比热表可以看出水的比热较大
五、小节
六、作业
记忆并理解比热的概念，想一想日常生活中还有哪些现象可以用比热来解释．
列举日常生活中的常见有关比热现象
演示实验现象
引导学生观察思考
通过实验我们可以看出不同物质吸收相同的热量升高的温度不同，而升高（或降低）相同的温度所吸收（或释放）的热量不同，那么用什么方法来描述物质的这一特性呢？
引导学生看比热表，加深学生对比热概念的理解
解释海洋性气候形成原因
引导学生回忆什么是比热，其物理意义是什么
观察实验
思考实验所说明的问题
思考问题，提出描述不同物质的这一特性．
看比热表，对比各种物质的比热
解释日常生活中的暖气以及冷凝剂为什么常用水
回答问题，复习巩固知识
“比热容”探究活动
比热容教学设计 篇3
关键词：比热容 过程 价值观
中图分类号：G6 文献标识码: A 文章编号：1673-9795(2011)07（c）-0000-00
1知识与技能
（1）了解比热容的概念。（2）知道比热容是物质的一种特性。（3）观察比较比热容表，发现、总结其特点。尝试用比热容解释简单的自然、生活现象。
2过程和方法
（1）通过探究，比较不同物质的吸热多少的不同，从而引入物质的热学特性——比热容。（2）通过实验的设计，探究的过程，进行物理方法的教学，如发现法、比较法、控制变量法等。
3情感态度与价值观
（1）通过了解“气候与热污染”“热岛效应”等现象，培养学生关注自然、关心社会、改造世界的情感。（2）通过日常生活中的有关比热容现象的了解，培养学生热爱生活、善于发现问题并自然解决问题的能力。
教学重点：比热容是物质的一种属性，它反映了物质的吸（放）热的能力。
教学难点：比热容概念建立过程中，物理思想、物理方法的培养。
教学器材：天平、温度计、烧杯、水、煤油、搅拌器、相同加热器、滴管等。
创设情景为提出问题做好准备，从生活走向物理。
投影画面：
（1）早穿皮袄午穿纱，围着火炉吃西瓜。（2）小明暑假去海滩时发现中午有阳光时，沙滩很烫而海水凉爽；傍晚沙滩凉爽而海水暖和。他非常困惑？激发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛。培养学生在日常生活中的观察能力。提出问题。问题开放，学生的思路被打开：对同种物质的物体吸收的热量的多少与哪些因素有关？学生猜想：可能与物体质量、升高的温度、体积、物质的种类等。学生根据烧开水生活经验讨论：（1）烧开一壶水，哪个需要的热量多？（2）把一壶水烧开和把一壶水烧成温水，哪个需要的热量多？学生根据生活经验得出结论：对同种物质的物体吸收热量的多少与物体的质量及温度变化的多少有关。培养学生科学的对一些因素进行筛选、归类、总结的能力。鼓励学生观察生活。培养学生归纳推理及语言表达能力。
课堂小结
（1）实验探究：对于同种物质的物体吸收的热量的多少与哪些因素有关？你将采用什么物理方法进行实验？需要哪些实验器材？设计一个实验记录表格。（2）对不同物质，比如一瓶水和一杯沙，质量相等，温度变化也相同，吸收热量是不是一样多呢？器材中为什么强调相同的加热器？滴管的作用是什么？通过什么因素比较吸收热量的多少？若换用其它物质重复上述实验，也可以得出相同的结论。即物体吸收热量的多少不仅与物体的质量、温度升高的多少有关，还与物质的种类有关。这是物质的一种热学性质，怎么比较不同物质的这种性质呢？物理学中就引入了一个重要物理量“比热容”。大家回忆一下“密度“概念的引入过程、定义、单位的组成及物理意义，给“比热容”下个定义。（1）定义：单位质量的某种物质，温度升高1℃吸收的热量叫做这种物质的比热容。（2）比热容的国际单位：焦/（千克·℃），读作焦每千克摄氏度。（3）有了物质的比热容，还可以知道单位质量的某种物质，温度降低1℃放出热量的多少。（4）比热容是反映不同物质吸、放热的本领强弱。（5）水的比热容是4.2×103焦/（千克·℃）,其物理意义是:质量为1千克的水温度升高或降低1℃所吸收(或放出)的热量是4.2×103焦。观察比热容表，你会发现很多的特点和规律。
教师出示幻灯片：
城市的气温通常比郊区的气温高一些，这种现象叫城市的“热岛效应”。改善“热岛效应”的方法：（1）扩大绿地面积（2）增加城市人工水面。
延伸思考与训练：（1）水的比热容是______它表示的意义是______一杯水倒去一半,剩下的一半其比热容将_____。（2）水的比热容大于煤油的比热容，这说明，质量相等的水和煤油在温度升高的度数相同时，水吸收的热量比煤油吸收的热量___（3）人们用水给发动机冷却，用热水取暖，为什么这样做？（4）夏天，在炎热的阳光下，形成由海面吹向陆地的海陆风，夜间却形成陆海风，为什么？通过本节课的学习，从三维目标来看，你有哪些收获？
实验器材：天平、温度计、相同加热器、烧杯、水、煤油、滴管等。探究物体吸收热量的多少与质量、升高的温度，物质的种类的关系，采用“控制变量法”（1）取相同物质，使它们升高相同的温度，但质量不同。（2）取质量相等的同种物质，使它们升高不同的温度。（3）用水和煤油两种不同的物质作为研究对象，用两个相同的电加热器分别给盛在两个相同容器里的质量相等的水和煤油加热。滴管的作用：可微调水和煤油的质量。 电加热器每秒钟放出的热量是一致的。通电时间越长，放出的热量越多。
观察：要使水和煤油的温度升高相同的度数，哪个需要时间更长些？次数、物质、质量、升温度高、加热时间、吸热多少
实验⑴说明：物体吸收热量的多少与物体的质量有关。实验⑵说明：物体吸收热量的多少与物体升高的温度有关。实验⑶说明：质量相等的水和煤油在温度升高的度数相同时，水吸收的热量比煤油多。得出结论：质量相等的不同物质，在温度升高的度数相同时，吸收的热量是不同的。（1）比热容是物质的一种特性，各种物质都有自己的比热容。（2）不同的物质比热容一般不同，同一物质的比热容一般不随质量、形状、温度而变化。如一杯水与一桶水、冷水与热水，它们的比热容相同。（3）水和冰属于相同物质，但比热容不同，说明同种物质在不同状态时比热容不同。（4）有个别不同的物质，它们的比热容相同（冰、煤油）。
学生阅读
知识和技能方面：知道了比热容是物质的属性，会利用比热容解释许多的现象。过程与方法：知道了比热容概念的引入过程，学会了实验探究的环节，学会了物理学的方法“控制变量法”。情感、态度与价值观：通过学习，我们更加热爱自然、热爱生活。（1）培养学生实验探究各个环节的设计能力。（2）鼓励学生主动参与经历探究过程，培养学生科学态度，合作精神。（3）培养学生的实验动手动脑能力。（4）认识实验与收集数据对科学探究的重要性。（5）让学生明确探究的目的，经历制度计划和设计实验的过程。（6）让学生对控制变量的实验探究方法有初步的意识。（7）认识制定计划和设计实验在科学探究中的作用。（8）培养学生对收集的信息进行简单的比较，并进行简单的因果推理。（9）培养学生用已学过的知识进行类比，而得出新年知识的能力、语言表达能力。培养学生科学地对一些因素进行归纳、筛选、总结的能力。增加学生的知识面，在应用中体现知识的价值。根据比热容的知识，解决实际问题，使所学的知识学以至用。
4设计理念
（1）以激發学生学习物理的兴趣和培养初步的探究能力及协作精神为主线的设计观念。
无论从观察力还是语言的描述能力来看都需要训练和培养。因此课堂教学中尽量的探讨和采用讨论式教学、让学生动手、动嘴说出来。鼓励大胆猜想、质疑的精神。因此在课堂语言中尽量采取多鼓励、表扬、肯定、少批评的做法，营造师生和谐共处、共同探究的平等氛围。
论比热容实验的改进 篇4
一、课本教材实验展示
以水和食用油为研究对象,参考右图的实验装置,用天平称取相同质量的水和食用油,分别装入两个相同的烧杯内。用电加热器给它们加热,用温度计测量液体吸收热量后升高的温度值,并用钟表记录加热时间。在质量一定时,比较两种物质的吸热能力。如果加热时间相同,即液体吸收热量相同的情况下,温度变化小的吸热能力强;如果温度变化相同,则加热时间长的吸收热量多,吸热能力强。(如图1所示)
1. 优点
(1)电加热器更加稳定,不容易受到外界因素的干扰,如果选用酒精灯,那么热源容易产生差别。
(2)水和煤油的吸热能力相差较大,能够清晰从温度计或者加热时间上比较出两者之间差别。
2. 劣势
从加热装置上来说,此实验可以作为演示实验,在大部分的城镇学校无法达到使用电加热器的标准,更不用说将这个实验作为学生分组实验,自己去探究实验,总结规律。此项实验操作,涉及到了热学和电学过程,从操作上和安全上来说,并不适合初中学生来完成此项实验。
二、改进措施
1. 装置改进
在本实验中,要求研究的热源具有一定的稳定性,所以在改进时热源的改进需要进一步斟酌。
(1)在热源的改进过程中,首先我选择的是将电加热器换成酒精灯,要求尽量完全相同的两个酒精灯。
酒精灯的操作更加的方便,安全性上来说,也避免了电的介入。但酒精灯的加热,我们不能保证热源的稳定性。
(2)鉴于热源的稳定性的处理,我将酒精灯减少为一个(如右图2所示),共同给两个烧杯内的液体进行加热。
优点:对于两个烧杯内的液体而言,热源具有稳定性,实验现象比较清晰。
劣势:实验时间长,液体的量相对于热源来说,偏重。
(3)处理上述问题,我采用的方法是将盛液装置有烧杯换成试管,并将试管放入正在加热的水中,观察现象(如右图3所示)。
优点:能够保证热源的稳定性,并能快速的观察到实验现象。
劣势:本装置固定温度计使用的是铁架台,移动明显不方便,而且有一定的安全隐患。此外酒精灯的使用,我们也可以做替代处理。
(4)介于上述的要求,我们使用泡沫塑料,借鉴了螺丝垫的原理以及两点确定一条直线的理论,使用两个泡沫所料垫将温度计固定在了试管中(如图4所示)。同时用将起加热作用的酒精灯去掉,来观察现象(如图5所示)。
由于外界气温较低,使用图5的装置,我发现用于加热的热水温度降低速度较快,导致现象不明显。所以,我将图5烧杯换成保温杯,发现效果很好。这个装置,便于携带,而且利用的是大家熟悉的加热工具,体现了物理与社会生活的练习。
2. 材料的改进
教材中进行的实验,是利用的水和煤油,但在上述的装置中加热时。但吸收相同的热量时,两种液体温度变化不明显。在改进中,我将煤油替换成了豆油,色拉油等等,发现效果不明显,所以我要选择比热容差距较大的两种物质,重做实验。
(1)鉴于固体与液体比热容的差距较大,我选择的材料为细沙和水,重新做上述的实验。通过数据我们看到,细沙升温速度比水的升温速度慢,与正确的实验结论相违背。经教研组研究,我们认为影响实验效果的因素有这样几个:首先,沙子的热传导效果比较差,所以,沙子中温度计的变化一开始比较缓慢。其次,在加热过程中,我们无法对沙子进行加热,所以在不同区域受热不均匀。
(2)鉴于上述的问题,我发现固体并不适合实验,所以重新从液体中选择加热材料,一个偶然的想法,我决定使用酒精和水,进行实验。
从上述实验数据,我们可以看到:质量相同的水和酒精,吸收相同的热量(加热时间相同),升温慢的,吸热能力强。同样的,我们也可以发现升高相同的温度,水吸收的热量多。
三、结论
通过上述实验的实验数据,我们总结出:不同物质的吸热能力不同,我们用比热容来代表物质这种能力。
这种能力体现两个方面:①质量相同的不同物质,升高(或降低)相同的温度,比热容大的物质吸收(或放出)的热量多。②质量相同的不同物质,吸收(或放出)相同的热量,比热容大的物质升温(或降温)慢。
四、实验说明
该实验用到器材是保温杯和试管,所以热源的供应是有一定时间限制的,此外两种液体放在了试管中,质量较小,所以温度变化很快,用时较短,所以需要及时观察记录。
摘要：《探究不同物质的吸热能力》在初中阶段是非常重要的一个实验,为了实现其易操作性、安全性等,做了一下改进:用盛满热水的保温杯作为热源,在两支相同的试管中加入同质量的酒精和水作为研究对象,并在试管中固定好温度计,与保温杯组装起来,就组成了改良后的实验装置。经使用,发现能够比较清晰,方便地将实验结果展示出来。
比热容 教案 王婷 篇5
一、教学目标
知识与技能目标： 1.了解比热容的概念，知道比热容是物质的一种属性
2.尝试用比热容解释简单的自然现象 3.能根据比热容进行简单的计算 4.学会查比热容表
过程与方法目标： 1.通过探究实验，了解比热容的概念
2.运用比热容的概念解释新疆昼夜温差
大的现象
情感态度与价值观目标：1.通过探究学习，培养学生的实践
能力和创新能力
2.养成学生实事求是，尊重自然规律的科学态度
二、教学重难点
组织指导学生进行探究活动，归纳理解比热容的概念
三、教学方法
讲授法 讨论法 实验法
四、教学用具
多媒体课件
五、教学过程
1.创设学习物理概念的情景 上课开始，教师运用多媒体放映沙滩与海面的照片，询问学生问题。
教师：同学们一定都有过去海边的经历吧，假如在夏日的中午走在沙滩上和海水中有什么不同的感觉吗？
学生：走在沙滩上感觉很烫，而走在海水中很清凉。
教师：那如果是夏日的晚上呢？
学生：走在沙滩上很凉，而海水中却变得很暖和。
教师：很好。那为什么在同一时刻，沙子与海水的温度却不相同？不知道同学们想过这个问题没有。好，这个问题我们先不谈。现在老师问大家一些小问题，请大家根据平时的经验作答。
学生：好
教师：分别把一壶水烧开和把半壶水烧开。哪个所用的时间更长？为什么？
学生：一壶水时间长，因为它的质量更大。
教师：很好。那一壶20摄氏度水和一壶50摄氏度分别烧开，哪一个所用时间长？为什么？
学生：20摄氏度的那壶水所用时间长，以为温差更大。
教师：很好。那根据我刚才询问同学们的问题。我想请同学们总结一下，对于同一种物质，它一段时间内吸收的热量与哪些因素有关系？
学生：质量和升高的温度。
教师：这位同学总结的很好。这样我们可得出结论：同一种物质，吸收的热量跟物质的质量和升高的温度有关系。这是对同一种物质的讨论。那现在我想问大家，对于不同的物质，当物质的质量和升高的温度都相同时，吸收的热量相等吗？即吸热能力相同吗？大家可以大胆的猜测一下。学生：不同
2.运用科学思维方法建立物理概念
教师：看来大部分同学认为是不同的。那现在如果老师给同学们两种不同的物质例如水和煤油。它们是等质量和等初始温度的，并且提供给同学们两套完全相同的加热器材。同学们可以利用它们来设计实验来验证你们的猜想吗？去证明水和煤油的吸热能力不用。大家可以想想在学习密度时用过的控制变量的方法。
学生甲：我们可以给水和煤油加热相同时间，然后比较它们的温度。
学生乙：我们还可以让水和煤油升高到相同温度。然后比较加热的时间，教师：这两个同学说的很好。我们可以有两种实验方案来验证我们的猜想。那么现在就让我们来看看关于这两种方案的模拟实验。
教师播放模拟实验，得出两组实验数据。待学生观察完实验数据，询问他们从两组数据中发现的现象。
学生甲：给水和煤油加热相同时间，没有升高的温度比水高。学生乙：让水和煤油升高到相同温度，水用的时间更长。教师：通过这两组实验，我们验证了我们的猜想了吗？ 学生：从实验数据中可以看出水升高一摄氏度比煤油升高一摄氏度所需热量多。所以不同物质在物质的质量和升高温度相同时，吸收的热量不等，吸热能力不相同。
教师：这位同学总结的很好。不同物质的吸热能力是不相同的。我们需要找到一个物理量去表示物质的这种特性，也就是我们今天的课题比热容了。
板书比热容定义：单位质量的某种物质温度升高（降低）一摄氏度所吸收（放出）的热量，叫做这种物质的比热容。单位为焦／千克摄氏度
教师：水的比热容是4.2×103J／（Kg.。C），仿照比热容的定义，同学们可以告诉我它的物理涵义吗? 学生：一千克的水，温度升高（降低）一摄氏度吸收（放出）的热量为4.2×103J。
教师：很好。比热容是物质的一种属性。物质不变，比热容不变。物质不同，比热容一般不同。
之后讨论比热容实质。板书：实质 1.反映了物质吸（放）热的本领 2.反映物质对冷热反应得灵敏程度。
3.选择具体问题，运用物理概念
让学生查比热容表回答相关问题，增强他们对比热容物理涵义的理解。
之后让学生回答教师在上课一开始提出的关于海水与沙滩的问题。
七、教学后记
1.在物质吸热能力强弱判断这一问题上应该多讲解一些 2.写错字要拿黑板擦擦掉
松散煤体低温比热容测试及分析 篇6
单位质量的煤温度升高 (或降低) 1K所需的热量称为煤的比热容, 松散煤体的比热容体现了煤的蓄热能力, 是研究煤自燃过程的一个重要参数。因此, 准确测定松散煤体的比热容, 尤其是低温氧化蓄热过程的比热容, 对研究煤自燃过程蓄热机理及矿井内因火灾防治, 有着重要的意义。
当前煤的比热容测定尚未形成较系统的测试方法, 其中赵再春等磁力搅拌式水卡计测试煤样的比热容, 并得到煤的水分、灰分、挥发分、煤化程度对煤比热容的影响, 并指出煤的比热容不受粒径变化的影响[1,2];郑嘉明、徐朝芬等分别利用差示扫描量热法测定煤比热容, 并分析煤比热容与温度、挥发分、水分的关系, 以及加热速率、气体流量、煤样质量对测试结果的影响[3,4];陈清华则利用热线法原理, 设计了松散煤体热物性参数测试系统, 可以测试出松散煤体的比热容[5,6,7]。
然而, 对于搅拌式水卡计测试法, 只能测定一定范围内煤的比热容, 无法体现出温度对煤比热容的影响;对于差式扫描量热法, 由于实验条件不同, 测试结果也不同[4], 测试结果与实际煤升温过程的值量热容变化存在差异。利用实际松散煤体作为实验煤样, 通过测试其比热容变化规律, 测试结果才能与实际煤自燃过程相吻合。
因此, 基于多孔介质的传热理论, 通过自制的松散煤体自然发火实验装置, 在准确测试松散煤体导热系数的基础上, 可以测试低温阶段 (100℃以下) 松散煤体的比热容, 并通过测试结果分析温度、煤化程度等因素对松散煤体比热容的影响。
1 实验原理
在准确测定不同温度条件下导热系数的前提下, 通过测试降温过程中不同位置煤体的温度变化数据, 便可推算出不同温度条件下松散煤体的比热容。在实验过程中, 在氮气环境条件, 由于煤体没有氧化放热, 在圆柱坐标系条件下, 煤的导热平衡关系如图1所示。
由于实验炉内部由加热棒加热, 且实验炉体封闭, 内部缺少对流作用。因此, 对于距离加热棒距离相同位置的煤体, 可以认为任意时刻温度相同, 即qup、qdown、qleft、qright均为0。因此, 可以建立一维导热方程如下:
式中, λ为松散煤体导热系数, J/ (m·s·K) ;ρ为松散煤体密度, kg/m3;c为松散煤体的比热容, J/ (kg·K) ;r0为中心元体与圆柱轴心的距离, m。
将式 (1) 离散化, 得:
式中, Tin、Tout、T0分别为内、外、中心元体煤体温度, K;T′0为中心元体下一刻温度, K;Δτ为时间步长, s;Δr为径向步长, m;Δz为轴向步长, m。
因此, 可以得到松散煤体比热容计算公式:
式中, λ为温度为T0时松散煤体的导热系数。
2 实验装置与过程
测试系统如图2所示, 包括实验加热炉、温度检测采集系统、气体检测采集系统及气流控制系统等。
实验加热炉是实验的主体装置, 呈圆柱形。炉体内径40 cm, 高100 cm。装煤高度90 cm, 装煤量约120 kg;底部留有高10 cm的自由空间, 使气流稳定, 送风均匀。靠近煤体中心1 cm、2 cm、3 cm的位置分别布置5排温度测点4排气体浓度采集测点。煤柱两端分别设有带孔的挡板和密闭盖, 可以使煤柱敞开与空气接触或是实施煤柱密封。煤柱顶底盖上分别设置进气口及出气口, 可通过气体控制器控制进入煤柱的气体流量。实验通过两端连接恒功率开关电源的加热棒加热煤体;开关电源采用高精密单输出开关可调电源, 可实现恒功率加热煤体。
温度采集系统包括:感温探头、温度变送器、计算机三部分。内置PT100铂电阻的感温探头将检测温度转化成电讯号, 然后通过温度变送器将信号送入计算机进行采集和显示。实验的气流控制系统由气体钢瓶、减压阀、稳压阀、稳流阀和气体流量计等组成。气样检测系统为气相色谱仪。
实验时, 将筛分为一定粒度范围的煤样装入炉体内, 并在炉体轴心位置放置加热棒, 并连接开关电源。为消除煤体氧化放热对测试结果的影响, 首先向煤柱内通入一定流量的氮气, 并利用气体采集装置实时检测炉体内各位置的氧气浓度, 直至煤体完全处于氮气环境下, 然后封闭炉体两端进气口及出气口, 使煤体隔绝大气, 打开电源、开始加热煤体, 并收集各测点的温度。当最高温度达到一定温度后关闭电源, 使煤体自然降温, 并连续监测煤体内测点温度, 直至煤温降至环境温度。
实验加热棒的加热功率为110 W, 当实验炉体内最高温度达到150℃时停止加热。实验过程中, 温度自动采集的时间间隔为1 min。
首先根据距离加热棒1 cm处位置测点在温度上升过程中的温度, 根据平行热线法的原理求出松散煤体导热系数与温度的拟合公式[5]。再将降温段采集的距离加热棒1 cm、2 cm、3 cm的温度数据和导热系数数据代入式 (3) , 便可计算得到不同温度条件下松散煤体的比热容, 其中导热系数通过导热系数与温度的拟合公式求得。
实验煤样采用杨庄贫瘦煤、张集肥煤、榆家梁弱黏煤、瓷窑湾不黏煤4种不同煤化程度的煤样。将煤样筛分为13 mm以下的混煤, 分别装入炉测试其比热容。4种煤样的工业分析、密度及导热系数拟合公式如表1所示。
3 比热容的影响因素分析
由于煤的比热容与空气的比热容十分相近, 对于不同粒度的松散煤体, 其比热容基本相同。现有研究表明, 对于同样的煤体, 其比热容不随粒径、空隙率等粒度影响参数的变化而变化。因此, 煤的比热容主要因煤化程度、水分、灰分以及温度而变化。对于不同的煤, 其不同条件下比热容的主要影响因素为温度和煤化程度。一般来说, 在低温条件下, 煤的比热容随着煤化程度的增加而减少, 随温度的升高而增加。根据实验结果, 从温度、煤化程度两方面分析对松散煤体比热容的影响。
3.1 煤化程度
挥发分通常采用作为煤的第一分类指标以表征煤的煤化程度。挥发分越低的煤, 其煤化程度越高。因此, 可以通过分析煤的比热容与挥发分之间的关系研究比热容随煤化程度变化的关系。已有研究表明, 在相同的温度下煤的比热与挥发分含量之间存在正比关系[3]。因此, 利用插值法, 根据实验结果分别求得30℃及60℃时4种煤样的比热容, 并将两者之间的关系线性拟合。在这两种温度条件下比热容测试结果与挥发分的关系如图3所示。
由图3所示, 对于不同煤化程度的煤样, 在相同温度的条件下, 其比热容随着挥发分的降低, 煤化程度的升高而下降, 两者之间基本呈线形关系。由于煤样中水分、灰分含量对比热容产生的影响, 实测数据存在一定的离散性。松散煤体比热容与挥发分之间的拟合公式如表2所示。
3.2 温度
在低温阶段, 煤的比热容随温度的上升而缓慢增加, 两者之间基本呈线性关系[3], 故对实验所测得比热容与相应的温度用线性拟合。拟合关系公式如表3所示。
4 结论
在多孔介质传热理论的基础上, 建立了松散煤体比热容测试模型。在准确测定松散煤体导热系数的基础上, 利用现有装置可以测试出低温阶段不同温度条件下松散煤体的比热容。实验结果表明, 在低温阶段, 松散煤体的比热容随温度的升高而增加, 随挥发分的降低, 煤化程度的升高而下降。松散煤体比热容与温度、挥发分之间基本呈线性关系, 并得到了松散煤体比热容与温度、挥发分关系的拟合公式。
参考文献
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湿法脱硫烟气组分测定与比热容计算 篇7
湿式石灰石—石膏法脱硫工艺在国内外烟气脱硫技术中占据着主导地位[1]。湿法烟气脱硫 (Flue Gas Desulfurization, FGD) 是抑制二氧化硫污染的有效途径之一, 但经过该工艺处理后, 烟气温度较低 (低于55℃) , 如不经过再热而直接排放, 那么烟气抬升高度受限且不易扩散, 容易在烟囱附近形成酸雾污染, 因此通常需配套烟气再热系统以保证烟气合理扩散。M公司为了确保热管式烟气—烟气再热器 (Gas Gas Heater, GGH) 满足工程需要, 委托国内一所985高校对其实验模型进行优化、测试、分析, 以评价其换热性能。该实验利用相似原理, 将具体工程的特征数按比例缩小, 以获得所需数据。由于经过FGD的烟气湿度对GGH的换热性能影响较大, 因此着重探讨烟气含湿量的测定, 并辅以其它相关组分的测定。约定含湿量指湿空气中与1 kg干空气并存的水蒸气质量[2]。
1 GGH实验搭建
1.1 热管式GGH结构
图1所示为热管式GGH的结构示意图。下降管束、冷凝管束、上升管束和蒸发管束构成换热主体。在冷凝管束外围构造流体流通管道, 构成净烟气箱;在蒸发管束外围构造流体流通管道, 构成原烟气箱[3]。
1.2 实验流程
如图2所示, 烟气是烟气发生器的主产物。在烟气调节室内, 烟气发生雾化, 辅以SO2和煤粉的添加, 得到接近工程实际的模拟烟气。模拟烟气经过GGH蒸发侧、FDG吸收塔、GGH冷凝侧, 最后经过烟道, 借助引风机所提供的动力排放于大气中。
2 烟气含湿量测定
原烟气和净烟气中水分含量差异较大, 应分别研究其测定方法。
对于原烟气, 其中的水分一般不会达到饱和态, 故可利用便携式湿度仪直接测量相对湿度和温度值, 再根据温度查得烟气相应的饱和水蒸气含量。用该值乘以测得的相对湿度, 即得到绝对含湿量, 即水分含量。
对于净烟气, 因其来自湿法脱硫装置, 烟气中可能携带少量细小雾滴, 使烟气处于过饱和状态。对于过饱和烟气, 由于其相对湿度大于100%, 因此无法利用湿度仪直接进行测定, 而应首先将待测样气导入装有变色硅胶的干燥管中, 利用其吸收烟气中的部分水分, 再用湿度仪测量干燥后烟气的相对湿度。流经干燥管的气体流量将由累积式流量计进行测量, 而干燥管的吸湿量将根据通气前后干燥管质量的变化值来确定[4]。由此测得的烟气含湿量则分为两部分:一部分是由干燥管吸湿量除以流经烟气量所测得的含湿量;另一部分是由湿度仪所测得的含湿量, 二者之和即为净烟气中的水分含量[5]。
2.1 含湿量测定系统
主要由干燥吸收瓶、湿度分析仪、陶瓷过滤器、质量流量计、真空泵及烟气分析仪构成 (如图3所示) , 不仅可以测定原烟气、净烟气中的含湿量, 稍加改造后, 也可对烟气中各组分的含量进行测定。
2.2 测定方法及流程
测量前, 应先打开真空泵及旁路阀门, 令样气由进气口L1流经系统管路5 min, 使得气流状态稳定。初始测量过程中, 应防止因管壁吸附样气中的水分而导致的误差。
(1) 对原烟气含湿量进行测定时, 选用英国生产的Testo 410-2便携式湿度仪, 其温度测定误差<0.2℃, 相对湿度测定误差<0.5%。主要操作流程:打开真空泵和质量流量计, 控制烟气流量为200 m L/min, 同时关闭旁路, 打开原烟气测量管路上的阀门, 样气由进气口L1流经湿度分析仪, 得到其温度与湿度值, 再通过换算得到原烟气中水分含量。
(2) 对净烟气含湿量进行测定时, 选用干燥法。主要操作流程:打开真空泵和质量流量计, 控制烟气流量为200 m L/min, 同时关闭旁路, 打开净烟气测量管路上的阀门。烟气首先由进气口L2进入干燥吸收瓶中 (吸收瓶内装有变色硅胶, 测量前先对吸收瓶进行恒重标定) , 则其中大部分水分及悬浮液滴均被吸收。控制系统以200 m L/min的烟气量持续进气10 min, 并在第10 min吸收结束时 (同时应保证硅胶层未被穿透) , 打开湿度分析仪两端阀门, 关闭其旁路阀门, 测定当前经干燥吸收瓶吸收后烟气的湿度与温度值。吸收操作完毕后, 关闭干燥吸收瓶两端阀门, 将吸收瓶从系统中取出并称重, 得到干燥吸收瓶在测定前后的质量差值, 即为其在10 min中内所流经样气中水分的吸收量。用该质量差除以样气体积 (2 L) , 得到烟气水分含量a;再用湿度分析仪所测湿度和温度值计算得到烟气水分含量b, 两者相加即得到净烟气的总水分含量g。
2.3 注意事项
需要说明的是, 原烟气温度较高, 而取样时由于烟气温度下降, 烟气可能从未饱和状态变为饱和。若测定时发现湿度分析仪的示数已超过量程 (相对湿度最大量程为100%) , 则应对原烟气采用与对净烟气相同的水分含量测定方法进行分析。
3 烟气组分测定
烟气组分的测定是本实验测试指标之一。利用烟气湿度/含湿量/组分测定装置, 实现原烟气/净烟气中SO2、O2和Ca SO4的浓度测定, 以及N2、O2、CO2和水分等的组分测定和分析, 流程如图4所示。
3.1 SO2、O2浓度测定
开启烟气分析仪, 同时打开装置的旁路阀门, 样气从测点引出后进入进气口L1, 利用真空泵将待测气体引至烟气分析仪, 待示数稳定后, 可直接读取样气中SO2和O2的含量值。烟道内相对压力低, 尤其是净烟气烟道的压力为负压, 而烟气分析仪自带抽气泵的抽吸力十分有限, 有可能无法采集到气样, 因此需要利用真空泵为气体升压。同时, 由于真空泵抽气量较大, 在测试时需要将真空泵与烟气分析仪之间的旁路排空阀门打开, 以避免过大的气量直接冲击烟气分析仪, 起到了分流作用, 并避免了设备损坏。
3.2 Ca SO4浓度测定
净烟气中携带的Ca SO4会在换热器内的热交换管表面沉积, 长期运行则会影响到热交换管的传热效果, 故对净烟气中Ca SO4的浓度进行测定[6]。
测量前, 首先在吸收瓶内加入0.1 mol/L的盐酸溶液作为吸收剂, 同时打开真空泵及旁路阀门, 使得样气流经系统管路。调节质量流量计, 控制气流量为100 m L/min并保持稳定。5 min后, 将吸收瓶两端的阀门打开, 同时关闭旁路阀门, 则气样由进气口L2流经吸收瓶, 其中的Ca SO4组分被吸收剂吸收溶解。连续采集吸收30 min的气样 (3 L) 后, 将吸收瓶两端的阀门关闭, 取下吸收瓶, 完成气样采集吸收操作。求取样气中Ca SO4浓度的化学分析方法步骤如下:
(1) 将吸收瓶中的溶液转移至洁净烧杯内, 并用去离子水反复冲洗吸收瓶2~3次, 洗涤后一并倒入烧杯中;
(2) 取10 g氯化钡, 溶于100 m L去离子水中, 并滤除溶液中的不溶性杂质;
(3) 将氯化钡溶液缓慢滴加入 (1) 的溶液中, 直到不再出现沉淀为止。其标准为:取少量上清液于试管中, 滴入1~2滴氯化钡溶液, 若无白色沉淀产生即可。检测完毕后, 再将试管内的液体倒回反应液内, 并洗涤2~3次, 再过量滴入2 m L, 并煮沸5 min;
(4) 用已称重过的G4玻璃坩埚过滤沉淀, 将沉淀全部转移至坩埚中后, 用去离子水反复滤洗沉淀5~6次, 以充分去除可能存在的氯离子;
(5) 将坩埚置于105℃环境下干燥2~3 h, 再冷却至室温条件下进行称重。将坩埚前后两次的称重值相减, 得到硫酸钡沉淀的质量m (单位g) 。
那么, 烟气中Ca SO4浓度的计算公式为
其中, 0.5833是硫酸钡换算到硫酸钙质量的系数, V表示所吸收气样的体积 (该实验中设定为3L) 。
3.3 N2、O2、CO2和水分组分测定
混合烟气主要组分包括N2、O2、CO2及水分, 其中O2浓度已由烟气分析仪测得;CO2浓度可通过燃油消耗量和总烟气量计算得到;水分含量可通过第2章节中的阐述的过程测定;N2作为烟气中的平衡组分, 其含量为混合烟气中去除O2、CO2及水分的含量百分比所剩下组分的百分含量。
设原烟气O2浓度为X1%、净烟气O2浓度为X2%。原烟气流量为V1 Nm3/h, 则其中CO2的浓度为 (0.033%V1+1.4544Y) /V1;净烟气流量为V2Nm3/h, 则其中CO2的浓度为 (0.033%V2+1.4544Y) /V2。其中Y表示实验过程中单位时间消耗的柴油质量, kg/h。原烟气温度为130℃, 可直接测得起水蒸气浓度为Z1kg/Nm3;净烟气温度为40℃, 有冷凝水析出, 饱和时气态水含量为0.0508 kg/Nm3, 设水分含量为Z2kg/Nm3, 则净烟气中水的浓度为 (Z2-0.0508) Kg/Nm3。进而, 原烟气中N2的百分含量为:
其中, 1.244为Z1kg/Nm3转换所得体积百分比, 即Z1×1000/18×22.4/1000=1.2444Z1;同理, 净烟气中N2的百分含量为:
N2%=1-X2%- (0.033%V2+1.4544Y) /V2-6.321% (3) 其中, 6.321%为0.0508 kg/Nm3转换所得体积浓度, 即0.0508/18×22.4=6.321%。
其中, 6.321%为0.0508 kg/Nm3转换所得体积浓度, 即0.0508/18×22.4=6.321%。
4 比热容计算
对于原烟气, 可利用工具书查得O2、CO2、N2及水蒸气在130℃时的质量比热容与浓度, 分别表示为:Cp1与ρ1、Cp2与ρ2、Cp3与ρ3、Cp4与ρ4。混合气体的比热服从迭加规律, 即混合气体比热为各组分比热容之加权。从而原烟气的定压体积比热可表示为:
其中, Cp原的单位是k J/ (Nm3·℃) 。
对于净烟气, 可利用工具书查得O2、CO2、N2及水蒸气在40℃时的质量比热容与浓度, 分别表示为:Cp1-1与ρ1-1、Cp2-1与ρ2-1、Cp3-1与ρ3-1、Cp4-1与ρ4-1。类似计算得到比热容
其中, Cp净的单位是k J/ (Nm3·℃) 。
5 结论
通过热管分体式GGH模型的模拟实验, 能够获得工程所需实验数据, 包括FDG的含湿量与各组分浓度。并通过实验分析, 获得FDG混合气体比热容, 对工程设计中, 提高参数准确性有极大的借鉴作用。
参考文献
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液体比热容 篇8
《比热容》选自教育科学出版社义务教育教科书《物理》九年级上册第1章第3节第1课时。下面我将从内容和内容解析、目标和目标解析、教学问题诊断分析、教学过程设计、目标检测设计五个方面阐述这节课的设计思路。
一、内容和内容解析
1. 内容
实验探究“比较不同种物质的吸热能力”,“比热容”概念的建立。
2. 内容解析
“比热容”是在实验探究“比较不同种物质的吸热能力”的基础上建立起来的。比热容是物质的诸多特性之一,这一概念的建立再次体现了比值定义法对于建立物理概念的重要性。
在实验探究“比较不同种物质的吸热能力”之前,需要先在理论上分析清楚“如何比较物体吸收热量的多少”“物体的吸热能力与哪些因素有关”,这一过程体现了控制变量法、转换法。科学方法是实验及其结果是否科学的关键,是科学探究的重要方法。
“比热容”概念对于后续更好地理解和解释“比热容”的现象及应用有着重要的作用和意义。
基于以上分析,确定本节课的教学重点:比热容概念的引入过程。
二、目标和目标解析
1. 目标
(1)理解“加热时间”的作用,会用停表记录“加热时间”,体会转换法的思想。
(2)经历“比较不同种物质的吸热能力”的实验设计过程,理解控制变量法。
(3)经历实验探究过程,通过对实验数据、现象的分析,建立“比热容”概念。
2. 目标解析
达成(1)的标志:学生在教师的引导下,在分析“物体的吸热能力与哪些因素有关”、设计“比较不同种物质的吸热能力”的实验方案时,知道要用“加热时间”来反映“物体吸收热量的多少”。
达成(2)的标志:学生在教师的引导下,知道要探究的问题是“物体的吸热能力与物质种类的关系”,能运用控制变量法和转换法的思想设计科学合理的实验探究步骤。
达成(3)的标志:学生在分组实验的过程中能够合理分工、有条理地记录数据。学生在教师的引导下,结合实验现象、实验数据进行定量分析,通过独立思考、组内分析、组间交流,找出数据间的联系,发现同种物质的共性、不同种物质的特性,并最终用相关物理量的符号表示出来。
三、教学问题诊断分析
物体的吸热能力是一个较为抽象的物理概念。物体吸热能力的强弱如何比较,以及与质量、温度变化、物质种类等影响因素之间存在着怎样的联系,学生不易直接得出结论。而且,“比热容”概念的建立涉及加热时间、物体质量、温度变化等三个物理量间的运算,即使顺利完成实验,实验数据间的数量关系也不明显。
克服第一个难点:教师结合学生的烧水经历,并借助学案,帮助学生理清这五个物理量(吸收热量、加热时间、物体质量、温度变化、物质种类)间的逻辑关系。
克服第二个难点:先回忆“密度”定义的得出,然后铺设台阶,循序渐进,将讨论变量的个数由一个逐渐增加到三个,最后借助Excel表格处理数据,通过数形结合,深化学生对“比热容”概念和比值定义法的理解。
基于以上分析,确定本节课的教学难点为:比热容概念的建立过程。
四、教学过程设计
新课标倡导学生的自主学习,但是离开教师必要的引导,学生的自主学习就会流于形式,因此需要用合理的教学设计,一来保证课堂教学的有序,二来促进课堂教学的生成。本节课的教学将从以下六个环节展开。
环节一:创设情境
【教学内容】学生观察图片,思考教师提出的问题:同学们去过海边吗?炎炎夏日,站在海水里的小女孩与站在沙滩上的小男孩感受相同吗?为什么同样在太阳的照射下,海水和沙子升高的温度不同呢?
【设计意图】多数学生对海水与沙子的温差有比较深刻的体会。联系学生已有的生活经验,激发学生的学习兴趣,引发学生的思考,使他们积极参与到课堂学习中。
环节二:明确要探究的问题
【教学内容】给出概念:在这个情境中,沙子与海水都吸收了热量。在物理学科中,如果物体吸收热量越多,我们就说物体的吸热能力越强。
提出问题:物体的吸热能力与哪些因素有关?首先以烧水为例,来研究同种物质的情况。结合情景(1)烧一壶水与烧半壶水;情景(2)将一壶水烧至100℃与50℃。完成学案上的问题:水吸收热量的多少与哪些因素有关呢?
学生发言并相互补充,得出:物体的吸热能力与质量、温度变化有关。
【设计意图】为了降低难度,首先引导学生研究同种物质的情况。学生普遍都有烧水的生活经历,对加热时间、水吸收的热量都有亲身体验,不难找出情景(1)和(2)中要凸显的影响因素———质量、温度变化。学案的设计有助于学生进一步梳理思路,体会转换法的作用,明确相关物理量间的逻辑关系,为后面的实验探究打基础。
环节三:明确实验探究方案
【教学内容】提出问题:加热相同质量的水和沙子,使它们升高相同的温度,它们吸收的热量相同吗?你有什么猜想?
学生合理猜想:物体的吸热能力是否与物质的种类有关?引出新的实验探究问题。
提出问题:怎样探究物体的吸热能力是否与物质的种类有关?请同学们以小组为单位,讨论一下这个实验的设计方案。
各小组踊跃发言并相互补充,在实验器材(尤其是测量工具及其作用)、实验步骤(尤其是控制变量法如何体现)等方面达成了共识。
学生阅读教科书,思考教师提出的问题:教材上的表格,利用的是哪个方法?如何利用这个表格记录实验数据?
学生发言并相互补充,进一步明确了实验分工、步骤以及需要收集的数据。
【设计意图】联系上课之初所举的例子,引导学生步入本节课的主题———实验探究“比较不同种物质的吸热能力”。实验方案的设计离不开控制变量法。学生的能力有差异,因此组织学生进行小组学习。学生不但可以在学习小组内部讨论出实验方案,还可以通过小组间交流,使实验方案得到补充、完善,在分享中收获到学习的快乐。本实验涉及三个测量工具,较为复杂。为了在后续实验中利用好实验记录表格、了解实验操作要点,在实验前,教师要引导学生通过思考、讨论,明确实验表格的使用方法,为后续实验铺垫,确保实验探究有序、有效地进行。
环节四:分组实验小组汇报
【教学内容】大屏幕展示“温馨提示”,学生动手实验,教师巡回指导。
实物投影展示学生收集的数据,学生分析表格中的数据,思考教师提出的问题:分析数据,你有什么发现?
学生发言并相互补充,一致得出“水比铁砂吸热能力强”的实验结论。
【设计意图】为了节约时间,教师事先调试好实验装置,同时对水和铁砂进行加热,保证学生有充足的实验时间。学生分组实验后,教师借助投影设备随机选取各小组的实验数据进行汇总,学生更容易得出具有普遍性的结论,也更能体会到小组合作学习的重要性。
环节五:定量分析建立概念
【教学内容】提出问题:通过分析,我们不难发现“水的吸热能力比铁砂强”。那么,水的吸热能力究竟是铁砂的多少倍呢?你是通过分析表格中的哪些数据得出结论的?
学生发言并相互补充。学生们发现,可以选取不同组数据进行比较,方法较多,但是不同组数据对应的数量关系相似:质量相同时,加热时间与升高温度的比值,对于水或铁砂而言相同、水与铁砂相比则不同;升高温度相同时,加热时间与质量的比值,对于水或铁砂而言相同、水与铁砂相比则不同。
提出问题:如果质量和升高温度都不同,你还能比较水的吸热能力是铁砂的多少倍吗?
想一想,要比较不同种物质的密度,它们的质量也不同,体积也不同,我们怎样处理?
在教师的引导下,学生无论通过理性思考,还是数据验证,都不难发现,可以比较,即使质量和升高温度都不同,对于水或铁砂而言相同,水与铁砂相比则不同。
提出问题:这反映了物质的一种什么性质?
大屏幕展示excel表格,教师输入数据:同学们有什么发现?
学生张口就答:“这是物质的一种特性。”通过分析图像,学生进一步发现,以加热时间T为纵轴,质量和升高温度的乘积m·△t为横轴,水和铁砂对应的图像分别是两条经过原点、且倾斜程度不同的直线,为两个正比例函数。学生在确认了答案的基础上,对计算机拟合出的图像仍感到惊叹。
【设计意图】在定性分析的基础上进行定量分析,是为了引导学生了解“比热容”概念的建立过程。由于初四学生的理性思维还不强,为了从定性分析顺利过渡到定量分析,教师可以换用一个数据成倍增加的实验表格,降低思维难度;在理性分析过程中,由易到难,逐渐增加变量个数,将已学过的“密度”的定义方法迁移过来,引导学生认识到物质的吸热能力也可以用同样的方法来比较。通过数形结合得出正比例函数,直观地体现这一比值对应着物质的一种特性,有助于学生思维能力从感性到理性的提升。
环节六:引出概念了解内涵
【教学内容】给出概念:这个比值对于不同种物质是不同的,对于同种物质是相同的,但是不要忘了,加热时间并不是我们的研究目的,而是为了反映物体吸收热量的多少。于是,我们就把这样一个比值定义为“比热容”,符号c,公式。
提出问题:比热容的大小反映了什么?
学生张口就答:“物质的一种吸热能力。”“1kg的某种物质温度升高1℃吸收的热量。”
教师补充:对于同一种物质,质量相同时,升高1℃所吸收的热量与降低1℃所放出的热量是相同的。因此,比热容的大小反映了物质的一种吸放热能力,即1kg的某种物质温度升高(或降低)1℃时吸收(或放出)的热量的多少。
大屏幕展示比热容表格,学生观察表格,思考教师提出的问题:从表格中,你收集到了哪些信息?
学生发言并补充:“水的比热容最大”“比热容与物质种类有关”“比热容与物质状态有关”等。
【设计意图】学生经历的计算、比较比值的过程,为比热容概念赋予了个性的理解和感悟,使它不再是一个空洞而生硬的物理概念。学生对比热容物理意义的流利阐述为之前的科学探究过程画上了一个完美的句号。这一环节也拓展了学生对比热容概念和内涵的认识。
【评析】
立足教材适度挖掘大胆创新
这节课是执教者在深入理解和挖掘新教材的基础上,选取并组织适合的课程资源,经过精心设计、充分准备以后,呈现在我区教研活动上的一节展示课。
1. 新旧教材对比分析
与旧教材相比,新教材在本节的变化主要体现在如下三个方面:
(1)实验探究方案
(1)从实验装置上看:新教材用2支相同的试管替代了2个相同的金属盒,用铁砂替代了沙子,去掉了铁板,用同一个酒精灯先后直接对装有水和铁砂的试管加热;
(2)从设计思路上看:新教材更为具体,不但指出了温度计的作用,而且明确地将实验需要收集的数据以文字、表格的形式呈现在读者面前。
(2)比热容的定义
新教材改变了原来“文字”定义的形式,凸显了“比值”定义法。
2. 备课中遇到的困难及对策
本节课的教学内容为《比热容》第一课时,主要涉及新教材在“实验探究方案”“比热容的定义”两方面的变化。执教者在设计本课时遇到的困难,也不外乎这两方面:
(1)实验真心难做
困难(1):铁砂难觅.俗话说:巧妇难为无米之炊.沙子随手可得,但是铁砂却不好找,学校也来不及配备,只能放眼器材市场与铁制品工厂。难道放弃铁砂?查一下比热容表格,铁砂的比热容是沙子的一半,用铁砂做实验,现象肯定更为明显!而且,由于金属的导热性好,即使不搅拌,也能得到较为准确的实验结果!铁砂值得寻找……
困难(2):实验数据毫无规律。教者采用新教材的实验装置和实验表格,在办公室里亲自动手实验,加热试管中的水时,发现火苗左右摇摆,热源极不稳定,根本无法保证试管底部在相同的时间内吸收相同的热量,导致一定质量的水在升高温度成倍增加的情况下,所测得的加热时间也毫无规律可言;而且,温度升高得很快,在记录数据时非常不方便。
困难(3):实验在短时间内无法重做。执教者对数据很不满意,打算重新实验,结果发现试管中的水温度降低得很慢,除非借助冷水降温或者在试管中重装等质量的水,否则要等待很长时间。这就意味着,学生在课堂上分组实验时,一旦实验失败,很难有时间或机会重做实验。这无疑是对学生实验能力的挑战。
困难(4):使用秒表难。本实验涉及天平、温度计、秒表三个测量工具,其中秒表的使用最为困难。体现在:如果累积计时,就会遇到分、秒及后两位数字间的单位不同的麻烦;如果连续计时,就要迅速读数、迅速复位,得眼疾手快,并且配合协调。
这些实验操作困难,(1)、(3)、(4)属于人为因素,可以解决,但是(2)则是由于新教材中的实验装置本身不完善导致的,需要执教者加以改进。
对策:为了解决热源不稳定、加热时间短的困难,执教者与同组老教师(李臣老师)交流后,借鉴水沸腾的实验装置,增加了一片石棉网(如图2),立刻得到了令人振奋的实验效果———在误差允许范围内,升高5℃、10℃、15℃、20℃所需的加热时间稳定地成倍数变化!
(2)比值法难定义
新教材在实验探究结束后,直接给出了“比热容”的定义式。比热容涉及了三个物理量的运算关系,是初中阶段最为复杂的物理概念之一。
新教材一改旧教材用“文字”定义物理概念的方式,显然是要凸显比值定义法对建立物理概念的作用,并希望学生初步形成用比值来描述物质特性的意识。也就是让学生不但知道“是什么”,而且还能知道“为什么”。
因此,执教者须引导学生经历建立“比热容”概念的过程,而这一过程就是运用比值定义法比较同种或不同种物质的过程。
但是,初四学生的理性思维还不强,直接用物理符号进行理论推导是行不通的。又由于升高规定的温度(5℃、10℃、15℃、20℃)所对应的加热时间不是整数,它们之间的数量关系很难直接看出,所以要引导学生对实验数据进行定量分析也很困难。
怎样才能降低思维上的难度,让学生自己意识到这个比值的来历,明白建立“比热容”概念的意义所在呢?教材没有指出,这显然需要执教者对新教材内容进行补充(如表1)。
在解决困难的过程中,执教者通过亲身体验感到:物理教学应该与时俱进,努力用新教材的新理念、新要求来指导教学,应该尽量贴近新教材,用心体会新教材的设计意图,却又不能完全依赖新教材,执教者还应该根据学生的认知水平、认知规律、认知习惯,对教材做必要的改进和补充,正所谓“用教材教,而不是教教材”。
3. 教学实施中的亮点与不足
(1)亮点
(1)分组实验.学生们都能动手动脑,积极参与到物理概念的学习过程中,既获得了直观体验,又锻炼了实验能力,充分发挥了学生的主体作用。
(2)手段丰富。本课采用了实验、定性分析、比值定义、图像等多种手段,目的都是为了找到“比较不同种物质的吸热能力”的办法。这些教学方法的变化激发了学生的兴趣,降低了学生学习抽象概念的难度,调动了学生用不同的思维方式思考同一个物理问题的兴趣,将生硬的物理概念加入了自己的个性理解。可以说,在这一节课的时间内,学生学到的不仅是物理知识,更学到了物理方法,并且收获了鲜活的生命体验。
(3)学案引领。学案帮助学生梳理各物理概念间的联系,构建自己的认知结构,将知识与方法加以落实,为后续学习打好基础,为物理学习注入持续动力。
(2)不足
(1)由于借班上课,教对于学生的实验能力了解不足,没有在课前让学生对秒表的使用加以练习,导致部分学生对加热时间的数据收集和处理不准确。
(2)在定量分析时,对数据的分析处理有些复杂。如果能够分别对水与色拉油进行分析,学生会很容易发现,对于水或色拉油而言,是定值,比较水与色拉油,却是不同的。既能达到同样的目的,又能大大降低难度。
液体比热容 篇9
1 试验
1.1 原材料
水泥:天山牌P·O 32.5水泥;粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰;发泡剂:Mps型新型水泥发泡剂;膨胀剂:UEA-H型膨胀剂,水泥灰色;减水剂:FDN-Ⅱ型高效减水剂,黄褐色。水泥及膨胀珍珠岩的性能指标分别见表1和表2。
1.2 试验配合比
试验在设计同强度等级普通混凝土(CC)基础上,配制了2种不同发泡成孔机理的多孔膨胀珍珠岩混凝土,分别是以发泡剂为主的混凝土(FC)和不掺加发泡剂的混凝土(LAC)。与FC相比,LAC是采用多孔结构的轻集料(如膨胀珍珠岩)调整材料密度等级,保证匀质性;同时利用搅拌时引入的气泡代替了发泡剂形成的气泡,简化了工艺。除发泡剂外,其余原材料种类相同,混凝土结构相似。混凝土配合比见表3。
kg/m3
1.3 试验方法
1.3.1 比热容
比热容为表征单位物质热容量的物理量。测试过程中3种混凝土的等压比热容Cp随温度t变化的函数式如下:
(1)对于CC:试验温区24~275℃,试验压力9.0 MPa。
其中:A(0)=6.33×10-1;A(1)=7.58×10-3;A(2)=-5.33×10-5;
(2)对于FC:试验温区23~277℃,试验压力9.0 MPa。
其中:A(0)=3.49×10-1;A(1)=7.74×10-3;A(2)=-6.45×10-5;
(3)对于LAC:试验温区30~288℃,试验压力9.0 MPa。
其中:A(0)=5.90×10-1;A(1)=7.25×10-3;A(2)=-4.79×10-5;
1.3.2 导热系数
依据GB 10294—88《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》,采用TPMBE-300平板导热仪进行测试,热板25℃,冷板-5℃,平均10℃,试件规格为:300 mm×300 mm×20 mm,标准养护28 d。测量导热系统的瞬态方法(热脉冲快速法)是以稳定导热原理为基础,在试验材料中给以短时间加热,测试时间为4 h左右,使试验材料的温度发生变化,根据其变化特点计算出材料的导热系数。稳态方法测量材料导热系数λ的原理公式为[4]:
式中:q——通过试件的稳定热流强度,W/m2;
d——试件厚度,m;
t1、t2———分别为试件两侧面温度,℃。
2 结果与分析
2.1 比热容
根据比热容Cp(t)的测试计算函数式分别计算出3种混凝土的比热容随温度的变化,结果见图1。
由图1可以看出,3种混凝土的等压比热容随着温度的升高而增大,且变化趋势相近。其中CC和LAC的比热容数据较接近[均从20℃的0.7 J/(g·℃)变化到300℃的1.5 J/(g·℃)],而FC[300℃时为1.36 J/(g·℃)]比前2种材料稍低。
2.2 导热系数
3种混凝土的导热系数测试数据结果见表4。
由表4可知,FC、LAC与CC相比,密度分别降低60%和43%,孔隙率明显增大,导热系数有所降低。这主要由于膨胀珍珠岩混凝土的导热系数与密度之间有密切的关系。密度的大小主要反映了材料内部的孔隙率大小,其导热系数是由骨架与气孔中空气的导热系数共同决定的,一般情况下,孔隙多,空气含量多,材料的导热系数也就越小,因此,随着密度的降低,导热系数降低。另外,FC的密度、孔隙率均低于LAC,但其导热系数却略高于LAC,这主要由于导热系数不仅与孔隙率有关,还与材料内部的孔结构有很大的联系。LAC孔大小较均匀,且孔结构密闭不连通,因此,其导热系数更小些,相应保温性能有所提高。
2.3 其它热工指标
2.3.1 蓄热系数
蓄热系数是材料层的表面对不稳定热作用敏感程度的一个特征指标,材料蓄热系数越大,表面温度波动越小,材料蓄热系数的计算公式如下[5]:
式中:S24———材料的蓄热系数,W/(m2·K);
λ———材料的导热系数,W/(m·K);
T———热作用周期,以24 h为1个周期的热作用是基本的,即T=24;
c———材料的比热容,J/(g·℃);
γ0———材料的密度,kg/m3。
2.3.2 热阻
热阻是材料层抵抗热流通过的能力,热阻越大,在同样的温差条件下,通过材料层的热量越少,围护结构的保温效果越好。
式中:R———材料的热阻,m2·K/W;
λ———材料的导热系数,W/(m·K);
δ———材料厚度,m。
2.3.3 热惰性指标
传热热阻R只代表围护结构抵抗导热的能力,它只能代表作为在稳定传热时建筑围护结构的评价指标。对于实际建筑围护结构来说,处于经常不稳定传热状态,此时一般多采用建筑围护结构的传热热阻R和材料的蓄热系数S的乘积即围护结构的热惰性指标D来评价围护结构热工性能的指标,其表达式如下:
由于热阻R表达了材料层抵抗热流波的能力,而蓄热系数表达材料层抵抗温度波的能力,所以热惰性指标D则是表达了围护结构抵抗热流波和温度波在材料层传播的指标。
3 混凝土保温隔热性能
为了更好地评价多孔膨胀珍珠岩混凝土的保温隔热性能,本文把3种混凝土与常用几种材料砌体保温隔热性能列表进行对比[6,7,8],详见表5。
由表5可见,多孔膨胀珍珠岩混凝土FC和LAC的导热系数值为耐火黏土砖的16.0%、12.3%,因而相同厚度时,可获得较大热阻,这是轻骨料混凝土的突出优点;材料的蓄热系数除与材料的导热系统的比热容有关外,还与表观密度有关,轻骨料混凝土的蓄热系数较小,加之结构轻薄,故其热稳定性不足。但是评价轻型结构的保温隔热性能主要是考虑其热阻和热稳定性两方面,由表5还可看出,LAC和FC的D值分别达到10.11和5.84,远高于其它的常用砌体材料。D值越大,说明外来热波穿透围护结构需要的时间越长,波动幅度被减弱的程度也越大,围护结构的热惰性越好,越有利于房间的整体稳定性,所以,对于一般建筑围护结构来说,用热惰性指标D作为评价值是比较全面的。
摘要：膨胀珍珠岩混凝土具有导热系数小、质量轻、结构性能好等优点,在建筑围护结构,特别是屋面保温隔热工程中得到了大量的应用。通过防护热板法对多孔膨胀珍珠岩混凝土的比热容和导热系数进行测试,并将测试结果与传统建筑材料的相应热学参数进行比较,为建筑节能设计提供了试验依据。
关键词：膨胀珍珠岩混凝土,比热容,导热系数,保温性能
参考文献
[1]徐雅芳.陶粒混凝土在高效屋面保温工程中的技术性能及经济比较[J].建筑施工,2002,24(6):471-472.
[2]马眷荣.建筑材料辞典[M].北京:化学工业出版社,2003:340.
[3]柳孝图.建筑物理[M].北京:中国建筑工业出版社,1990:369-372.
[4]K.Di.福庚.房屋围护部分的建筑热工学[M].谭天佑,梁绍俭,译.北京:建筑工程出版社,1957.
[5]朱盈豹.保温材料在建筑墙体节能中的应用[M].北京:中国建材工业出版社,2003:9.
[6]GB 10297—1998,非金属固体材料导热系数的测定[S].
[7]王秀芬.加气混凝土性能及优化的试验研究[D].西安:西安建筑科技大学.