居家實驗: 石蠟的簡單熱學性能測量

遲政 緱育 韓仕豪 劉文晶

關鍵詞 石蠟;居家實驗;熱學性能

受疫情影響，實驗課程大多停課或者利用網(wǎng)絡進行，但實驗效果終究不如親手操作好。包含豐富物理思想，能夠居家進行的實驗對疫情期間鍛煉學生的動手能力與學術思維能力具有重要的意義。[1，2]基于此，在科研與實踐課程中，本組同學集思廣益，利用一些易獲得的器材設計并實施了本次石蠟熱學性能測定實驗。

本文聚焦于石蠟相變儲能領域的應用，設計實驗對石蠟基礎的物理性能進行研究，包括對石蠟的密度、體積膨脹率、相變溫度、相變潛熱進行測定，開發(fā)適合居家進行的實驗。由于石蠟較易獲得，危險性很低，便于操作等特點符合疫情在家做實驗的基本要求，關鍵就在于用一些簡單易行的方法來測定石蠟的相關物理參數(shù)。

1 實驗原理

“雙碳”目標是我國對全世界做出的一項莊嚴承諾。由于太陽能具有資源豐富、清潔、環(huán)境友好等優(yōu)點，太陽能發(fā)電成為實現(xiàn)能源體系清潔、低碳化的技術之一。太陽能發(fā)電分為光伏發(fā)電和熱發(fā)電，其中熱發(fā)電通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機來發(fā)電。由于太陽能具有分散性和間歇性的特點，易受環(huán)境的影響，儲能系統(tǒng)成為保證長周期連續(xù)太陽能熱發(fā)電的關鍵[3]。太陽能的存儲屬于熱能存儲的范疇，主要表現(xiàn)形式有熱化學能存儲、顯熱存儲和潛熱存儲，其中潛熱存儲具有溫度變化小、存儲能力強、儲能密度高等優(yōu)點，多利用相變材料的相轉(zhuǎn)變或結構轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)，在太陽能存儲領域有較好的發(fā)展前景[4]。石蠟類材料作為相變材料中重要的一類，除了在相變過程中可以反復吸收和釋放大量熱能外，還具有無污染、無毒、常見、廉價的優(yōu)點[5]。

1.1 測量石蠟密度與體積膨脹率

石蠟密度ρ 的測試基于公式ρ=m/V_S。利用排水法測量固態(tài)石蠟體積V_S，石蠟質(zhì)量m 利用電子秤通過差量法稱量。

體積膨脹率α 可表達為

其中，V_S 為固體石蠟體積;V_L 為液狀石蠟體積加熱石蠟到融化，直接使用量器可以測得液狀石蠟體積。

1.2 測量石蠟相變溫度與相變潛熱

目前測量相變溫度與相變潛熱采用的方法主要有差示掃描量熱法（DSC）和參比溫度曲線法（T-history）。

差示掃描量熱法就是在程序控制溫度下，將有相變的樣品與在測定溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變的參照物進行比較，測量兩者的功率差或者溫度關系的一種方法。應用差示掃描量熱法可以測量樣品在加熱或者冷卻過程中的各種特征參數(shù)[6]。DSC法因其具有精度高、測試快速、可重復性高等特點而被廣泛使用[7]。但是儀器要求較高，不適用于居家實驗。

參比溫度曲線法的原理就是把相變材料和水分別放在相同的試管中，使它們的溫度大于相變材料的相變溫度，并將它們暴露在空氣中進行冷卻，得到降溫曲線[6]。進而得出樣品的相關參數(shù)。該方法原理簡單、不需要復雜設備，故也適用于居家實驗，但是由于實驗條件影響，精確度較差且操作較為麻煩。有條件的同學可以考慮對其進行改進簡化以適用于居家實驗。

考慮到居家實驗條件限制，可以利用冷卻曲線法測量石蠟相變溫度，在規(guī)定的條件下冷卻已熔化的石蠟試樣，在石蠟冷卻過程中，每15s記錄1次溫度，當?shù)谝淮纬霈F(xiàn)5個連續(xù)讀數(shù)之總差不超過0.1℃時，即冷卻曲線上出現(xiàn)停滯期時，其溫度即為石蠟的熔點。以5個連續(xù)讀數(shù)的平均值作為所測試樣的熔點[8]。即根據(jù)曲線上溫度臺階讀出相變溫度。

利用能量守恒原理，根據(jù)水的散熱、水溫和石蠟溫度的變化間接得出石蠟的相變潛熱（ΔH ）可以表示為

ΔH =Q_W-Q_D-Q_P （2）

其中，Q_W為實驗過程中水的熱量變化，Q_D為水的散熱量，Q_P 為實驗過程中石蠟的熱量變化。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗器材

石蠟100g、100ml量筒、500ml燒杯、小試管、保溫桶、酒精溫度計兩支、針、電子秤。其中，石蠟、燒杯、量筒和試管分別可用蠟燭，鍋具和量器，醫(yī)用注射器等代替。

2.2 實驗操作

2.2.1 石蠟密度及體積膨脹率的測定

將石蠟切塊，用電子秤稱得石蠟塊的質(zhì)量。向燒杯內(nèi)部加水至水剛好不溢出，將石蠟塊用針壓至其完全浸沒在燒杯中，取出石蠟塊。用量筒逐次向燒杯中加水至剛好不溢出，記錄每次量筒讀數(shù)累加即得到固態(tài)石蠟體積。也可用量筒收集溢出的水量得出石蠟體積。之后將稱取的石蠟擦干放入干燥大燒杯中加熱至熔化，迅速倒入量筒內(nèi)記錄讀數(shù)得到液態(tài)石蠟體積。用石蠟塊的質(zhì)量和固態(tài)/液態(tài)石蠟的體積即可計算石蠟的密度及體積膨脹率。

2.2.2 石蠟相變溫度的測定

先將石蠟放入沸水浴中融化、將溫度計插入裝有石蠟的試管中，距管底10mm，將試管置入空氣浴中，每隔10s讀數(shù)記錄至石蠟完全凝固，得到原始數(shù)據(jù)，根據(jù)原始數(shù)據(jù)利用Origin繪圖得出溫度曲線，根據(jù)曲線平臺得出石蠟相變溫度。

2.2.3 石蠟相變潛熱的測定

圖1為實驗裝置示意圖。先量取一升熱水（可調(diào)節(jié)至500ml，保證水的液面高于小試管內(nèi)石蠟液面即可）倒入保溫桶中，插入溫度計，待水溫冷卻至75℃，每隔一分鐘讀數(shù)記錄一次，共記錄十個點。再次量取一升熱水倒入保溫桶中，插入溫度計，待水溫降至75℃，把裝有石蠟的試管放入保溫桶，每隔20秒分別讀取水和石蠟的溫度。待固體石蠟完全轉(zhuǎn)化為液體石蠟時停止實驗。

3 結果討論

3.1 數(shù)據(jù)分析

3.1.1 密度/體積膨脹率

表1為實驗測量數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)的對比。由表1可知，實驗測得的固體和液狀石蠟的密度分別為0.95±0.02和0.81±0.01g/cm³，和文獻值之間存在較大偏差，相對誤差分別為7%和12%，體積膨脹率為0.170±0.015，與文獻值只有2%的相對誤差。密度相對誤差較大其原因主要有：（1）石蠟純度存在誤差。實驗樣品為工業(yè)石蠟，內(nèi)部存在雜質(zhì)。（2）將石蠟取出時有部分水附著在石蠟表面，導致測量結果存在誤差。（3）測量液狀石蠟體積時石蠟凝固過快。在將液狀石蠟倒入量筒時由于石蠟凝固過快，部分石蠟已經(jīng)轉(zhuǎn)化為固體，導致測量值偏大。

3.1.2 相變溫度/相變潛熱：

圖2為石蠟的降溫曲線，表2為相變潛熱測試得到的溫度數(shù)據(jù)。由圖1、表1和表2可得相變溫度為62.0±0.6℃，相變潛熱為191kJ/kg，與文獻值符合較好。在計算相變潛熱時，由于缺少固態(tài)和液態(tài)石蠟比熱容，使用文獻中查到的石蠟的數(shù)據(jù)（固體2.91kJ·kg^-1·K^-1[11]，液態(tài)2.01kJ·kg^-1·K^-1[12]）。但是不同牌號的石蠟成分不同，比熱容相差較大，且隨溫度變化而產(chǎn)生明顯變化，和本文的溫度測試范圍不能完全匹配，是相變潛熱測量的主要誤差來源，所以沒有對相變潛熱做不確定度分析。產(chǎn)生誤差的主要原因有：（1）石蠟受熱不均勻。實驗過程中發(fā)現(xiàn)與管壁接觸的石蠟總是先融化，導致溫度計所測量的溫度始終為中間部分未融化的固體石蠟的溫度。使得所測得的溫度曲線存在一定的滯后。（2）讀數(shù)誤差較大。由于本次實驗測量溫度的儀器為酒精溫度計，儀器誤差為0.1℃，估讀誤差較大。（3）計算使用的石蠟比熱容與實際情況相差較大。

3.2 實驗的改進方法

可通過以下手段改進實驗，降低誤差：

（1） 實驗樣品更換為分析純石蠟。

（2） 將酒精溫度計換成電子溫度計，提高測量溫度的精度。

（3） 規(guī)范實驗操作，測量石蠟溫度曲線時，應保證溫度計始終處于液狀石蠟范圍內(nèi)。

（4） 使用手邊泡沫塑料或硬紙板為保溫桶自制蓋子，改善保溫效果。

4 結語

本實驗著力于設計基于家用器材，操作簡便的實驗內(nèi)容，使其適合疫情期間學生居家實驗。石蠟性質(zhì)的測定所需器材都可用家用器材替代，且實驗過程簡便易行，非常適合居家完成。實驗本身趣味性較強，有利于激發(fā)學生的科研興趣，提高學生的動手能力。對實驗中產(chǎn)生誤差的可能原因進行分析，并據(jù)此提出了改進方法。同時本實驗立足于居家實驗而非在實驗室，需要學生自行準備實驗材料，并根據(jù)實際情況選擇不同的替代用具。實驗遇到困難時也需要學生靈活處理，改進實驗方案或者修正實驗操作。這些能夠起到培養(yǎng)學生自主分析問題和解決問題的高階能力和動手能力。同時鼓勵學生之間通過網(wǎng)絡互相交流合作，培養(yǎng)人際交往能力。建議在有條件的情況下和家人一起實驗，增進疫情期間家庭和睦。