一種可用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的開放式相變過程探究與相變潛熱測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的探索

摘 要 相變材料在我們生活中有著廣泛的應(yīng)用，學(xué)習(xí)和研究相變材料的熱學(xué)特性具有重要的實(shí)際意義。然而，目前市面上測(cè)量相變材料熱學(xué)特性的量熱裝置大都是在密封區(qū)間內(nèi)進(jìn)行的，學(xué)生并不能觀察到完整的相變過程。同時(shí)，過于昂貴和復(fù)雜的儀器裝置使得該類熱學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中少有涉及。本文通過理論推導(dǎo)得到了相變材料的相變潛熱和溫差變化曲線與基線所圍成的峰面積的關(guān)系式，并搭建了一種簡(jiǎn)易的開放式量熱裝置。該裝置用珀?duì)栙N板作為熱源，利用半導(dǎo)體氧化鋅鋁薄膜的熱電效應(yīng)測(cè)量溫度，通過數(shù)據(jù)采集卡和LABVIEW 程序完整地記錄相變過程的溫度變化。本文實(shí)驗(yàn)以金屬鎵作為樣品，標(biāo)定得到參數(shù)hT =0.52（J/（K·S））以及0.206～0.692g間10組不同質(zhì)量的金屬鎵的相變潛熱。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷，可為研究相變材料的熱學(xué)特性及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)等提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 熱電效應(yīng);LABVIEW;相變潛熱

相變材料（Phase Change Materials，PCMs）又稱潛熱儲(chǔ)能材料（Latent Thermal Energy StorageMaterials，LTESMs），是一種可以在某個(gè)特定的溫度區(qū)間內(nèi)，從一個(gè)相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相態(tài)的材料[1]。在相態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，相變材料以相變潛熱的形式從環(huán)境當(dāng)中吸收或者釋放熱量。相變潛熱簡(jiǎn)稱潛熱，指單位質(zhì)量的物質(zhì)在等溫等壓情況下，從一個(gè)相變化到另一個(gè)相吸收或放出的熱量。

一般地，可以利用熱分析技術(shù)中的差熱分析法測(cè)得物質(zhì)的相變潛熱。所謂熱分析技術(shù)，就是研究材料在加熱或冷卻過程中的物理、化學(xué)等性質(zhì)的變化，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量的分析和鑒定，為新材料的研究和可開發(fā)提供熱性能數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)信息。差熱分析法是最為普遍運(yùn)用、最常見的一種測(cè)量方法。然而一般的差熱分析儀器通常采取封閉式測(cè)量，人們往往只得到了一個(gè)結(jié)果，并不能觀測(cè)到完整的相變過程。對(duì)物質(zhì)相變的探究更是由于昂貴、復(fù)雜的儀器裝置而在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中少有涉及。

本 文設(shè)計(jì)制作的這種簡(jiǎn)易的開放式量熱裝置可以較好地彌補(bǔ)上述缺陷。我們從理論上進(jìn)行了公式推導(dǎo)，并選取試樣金屬鎵進(jìn)行標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了較好的結(jié)果。希望該裝置對(duì)研究相變材料的熱學(xué)特性及本科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)產(chǎn)生積極影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理

相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱。在圖1所示的傳熱模型中，取相變材料作為試樣，假設(shè)熱源的溫度為Tw ，試樣溫度為Ts，參比物的溫度為Tr。

在熱源升溫前，有Tw =Ts=Tr。升溫后，當(dāng)試樣沒有發(fā)生反應(yīng)或相變等熱效應(yīng)時(shí)，試樣的傳熱方程為

珀?duì)栙N板是一種利用半導(dǎo)體材料珀?duì)栙N（Peltier）效應(yīng)的熱電制冷片。當(dāng)直流電通過兩種不同類型的半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量。珀?duì)栙N板沒有滑動(dòng)部件，可靠性高，適合作為簡(jiǎn)易裝置的熱源。為了使得珀?duì)栙N板的熱端更穩(wěn)定，還可以將水冷系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)作用在珀?duì)栙N板冷端。為了方便測(cè)量固液態(tài)相變材料的溫度，可以選擇半導(dǎo)體薄膜材料，利用其電阻和溫度的線性關(guān)系來測(cè)溫。氧化鋅鋁是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光電、壓電及晶格特性，而且原料價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單。因此，本文的實(shí)驗(yàn)裝置中用直流濺射的方法在珀?duì)栙N板的熱端面制備了一層氧化鋅鋁薄膜，構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)溫系統(tǒng)，如圖2所示。為了排除空氣散熱、熱源升溫不穩(wěn)定等因素的影響，我們?cè)O(shè)置了參比組，即在同一塊珀?duì)栙N板上鍍兩片分立的氧化鋅鋁薄膜，并在其上分別放置待測(cè)樣品與參比物品。在實(shí)際測(cè)量中，為了避免樣品或參比物品直接與氧化鋅鋁薄膜接觸，影響薄膜質(zhì)量或影響電阻測(cè)量，可以在氧化鋅鋁薄膜上蓋一層較薄的絕緣膜。使用恒流源將兩片氧化鋅鋁薄膜串聯(lián)，在兩片氧化鋅鋁薄膜上分別截取電壓進(jìn)行采集。采集信號(hào)通過濾波電路呈現(xiàn)在LabVIEW 中，如圖3所示，經(jīng)過軟件處理后可得到樣品和參比物品的溫度變化曲線。整體的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

為了更好理解裝置（見圖5）的工作原理，有必要介紹下熱源和測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理。

珀?duì)栙N板的工作過程如圖6所示，當(dāng)一塊n型半導(dǎo)體材料和一塊p型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，熱量會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導(dǎo)體自身存在電阻，當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，從而影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身發(fā)生逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。為了避免溫度過高造成珀?duì)栙N板的損傷，可以接入水冷系統(tǒng)及時(shí)散熱。

氧化鋅鋁薄膜存在本征施主缺陷，如間隙Zn原子、O 空位等，使得薄膜呈弱n型導(dǎo)電，因此氧化鋅鋁薄膜的電阻率一般較高，在10-2Ω·cm 數(shù)量級(jí)。但通過調(diào)整生長(zhǎng)、摻雜或退火條件可形成簡(jiǎn)單半導(dǎo)體薄膜，導(dǎo)電性能大幅提高，電阻率可降低到10-4Ω·cm 數(shù)量級(jí)，且在一定溫度范圍內(nèi)溫度與電阻有良好的線性關(guān)系[4]。通過測(cè)量電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可測(cè)量氧化鋅鋁薄膜電阻，利用熱成像儀可測(cè)量氧化鋅鋁薄膜的溫度。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用origin處理得到氧化鋅鋁薄膜電阻溫度標(biāo)定曲線，如圖7、圖8所示。

分別擬合得到兩側(cè)氧化鋅鋁薄膜的電阻溫度標(biāo)定關(guān)系式。試樣側(cè)氧化鋅鋁薄膜的溫度電阻標(biāo)定關(guān)系式為

T（℃）=-122.4R（MΩ）+256.3

參照側(cè)氧化鋅鋁薄膜的溫度電阻標(biāo)定關(guān)系式為

T（℃）=-14.8R（MΩ）+108.6

實(shí)驗(yàn)中我們采用SBC-12小型直流濺射儀，在低真空下利用直流濺射法獲得珀?duì)栙N板上的金電極以及氧化鋅鋁薄膜，由于鍍膜儀器的限制，同一塊珀?duì)栙N板不同位置處所鍍的氧化鋅鋁薄膜厚度并不完全相同，因此會(huì)出現(xiàn)試樣側(cè)和參照側(cè)氧化鋅鋁薄膜電阻溫度標(biāo)定關(guān)系式相差較大的情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取金屬鎵（Ga），一方面Ga可以在電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等環(huán)境下定向流動(dòng)，目前作為重要材料被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、氣體傳感器等工業(yè)領(lǐng)域。選取金屬Ga可加深同學(xué)們對(duì)現(xiàn)代前沿的工業(yè)材料的認(rèn)識(shí)。另一方面，金屬Ga常溫下為固體，但熔點(diǎn)只有29.76℃，極易發(fā)生固液相變，富有趣味性，便于進(jìn)行教學(xué)的演示。

取0.485g Ga進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在室溫下用4V 電壓工作下的珀?duì)栙N板進(jìn)行持續(xù)加溫，可得到圖9所示的差熱分析曲線，我們可以看到在3～33s之間試樣側(cè)溫度持續(xù)低于參照側(cè)溫度，這是由于Ga的相變過程中自身的溫度升高緩慢，而參照側(cè)溫度不斷上升。在相變過程中，試樣側(cè)和參照側(cè)的溫差的絕對(duì)值會(huì)逐漸擴(kuò)大，而在相變結(jié)束之后，二者的溫差的絕對(duì)值將逐漸縮小，最終溫差趨近穩(wěn)定。因此曲線在3～33s之間產(chǎn)生的一個(gè)峰面積是與物體發(fā)生相變過程相對(duì)應(yīng)的。

3.1 參數(shù)hT 的標(biāo)定

將Ga的理論焓變?chǔ) 以及測(cè)量所得峰面積S 分別代入公式（17），可對(duì)hT 進(jìn)行標(biāo)定。其中，峰面積S 可采用積分法經(jīng)origin處理得到。若峰前后基線在一直線上，則取基線連線作為峰底線。當(dāng)溫差變化曲線的峰前后基線不一致時(shí)，可以作峰前、后沿最大斜率點(diǎn)切線，分別交于前、后基線延長(zhǎng)線，連結(jié)兩交點(diǎn)組成峰底線，來確定峰面積范圍[5]。

對(duì)其中六組不同的數(shù)據(jù)，分別求出相應(yīng)的hiT（i=1，2，…，6）。用它們的算數(shù)平均值hT = Σ6i=1hiT =0.52（J/（K·s））作為標(biāo)定值。按照間接測(cè)量法可以計(jì)算得到的hT 不確定度為UhT =0.21 J/ K·s 。

3.2 金屬Ga相變潛熱的測(cè)定

根據(jù)式（17）以及hT 的值（表1），測(cè)得溫差變化曲線中的峰面積S 即可計(jì)算得到試樣的相變潛熱（表2）。

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)合金屬Ga可以在室溫下發(fā)生相變的特性得到了不同質(zhì)量的金屬Ga的相變潛熱，與理論值存在10%左右的誤差，主要誤差來源于樣品的散熱、Ga的厚度和軟件參數(shù)設(shè)置等。

4 結(jié)語(yǔ)

本裝置的實(shí)驗(yàn)原理具有一定普遍性，沒有特殊物質(zhì)條件要求。但考慮到實(shí)驗(yàn)裝置中氧化鋅鋁薄膜的熱電性質(zhì)和供熱限制，裝置測(cè)量的相變溫度在15～80℃范圍。通過本裝置不僅可以觀測(cè)到材料的整個(gè)相變過程，而且還可以通過對(duì)差熱分析曲線進(jìn)行分析得到相變材料的相關(guān)熱學(xué)量。

物質(zhì)的相變特性是本科生階段的重要熱學(xué)知識(shí)，但在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中卻很少涉及，也少有實(shí)驗(yàn)可在測(cè)得物質(zhì)熱學(xué)量的同時(shí)，又能為學(xué)生完整展現(xiàn)物質(zhì)的相變過程的。而本文所搭建的開放性裝置在一定程度上彌補(bǔ)了這些空缺，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)芡暾^察到相變的過程并獲得了整個(gè)過程中物質(zhì)的溫度隨時(shí)間變化曲線。對(duì)本熱學(xué)裝置的實(shí)際操作加深了學(xué)生們對(duì)相變理論的理解，實(shí)現(xiàn)了抽象理論具象化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)在相關(guān)方面的空缺。

參 考 文 獻(xiàn)

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