基于信息采集技術的酒精燈火焰溫度測量

基于信息采集技術的酒精燈火焰溫度測量

酒精燈火焰在燃燒過程中溫度關系的認識發(fā)生了變化,容易產(chǎn)生燃燒外火焰的充酒精燈是化學實驗中經(jīng)常使用的水源。酒精燈的火焰可以分為3部分:焰心、內焰和外焰。焰心是我們觀察到的比較暗的部分;內焰是最明亮的部分,呈黃色;外焰顏色比內焰淡,而且常飄忽不定。一般地認為酒精燈火焰溫度在500℃左右,并且焰心、內焰和外焰的溫度依次增高,其理論依據(jù)是:外焰燃燒充分,溫度最高。因此在要用到酒精燈加熱的實驗中,都強調要用外焰加熱。酒精燈3層火焰的溫度各有多少度3層火焰的大小關系怎樣,是不是像前面敘述的那樣?酒精燈可以獲得的最高溫度又有多大?這些都是定量的研究,在傳統(tǒng)的中學化學實驗條件下難于開展。中學化學實驗對這個問題進行定性研究,通常的做法是用一根火柴梗在酒精燈火焰上加熱,根據(jù)火柴梗不同部位炭化速度的快慢來判斷各層火焰溫度的高低。掌上實驗室使中學化學實驗從定性研究走向定量研究成為可能。掌上實驗室是由手持技術(Handheldtechnology)與計算機技術構成的現(xiàn)代科學實驗室,其中手持技術包括數(shù)據(jù)采集器(Datalogger)和各種傳感器(Sensor)或探頭(Probe),它們能便攜地、定量、快速、準確地測量各種實驗數(shù)據(jù);計算機技術為實驗數(shù)據(jù)的處理提供強大的技術支持。本實驗在掌上實驗室進行,對上面3個問題進行探究。1實驗部分1.1火焰溫度的測量酒精燈的3層火焰常有跳動,因此不能直接手持探頭測量3層火焰的溫度。本實驗用如圖1所示的裝置進行,探頭從燈芯位置開始,通過調節(jié)燈座的高度,依次測量酒精燈各部分火焰的溫度。測量的原則是:每隔50s調整一次探頭的位置(用調節(jié)燈座的高度的方法)以測量不同部位火焰的溫度;每次調整的高度為0.5cm(以直尺為標度);調整的時間為10s,在10s內提前完成調整的,夠10s后方重新計時。由于火焰經(jīng)常跳動,測量火焰各部位瞬時溫度,其意義不大。本實驗的測量結果是各個部位(每個部位采集50個數(shù)據(jù))的平均溫度,實驗平行地進行3次。1.2溫度偏移檢測·MutilogPro數(shù)據(jù)采集器·高溫探頭(DT025)·直尺·酒精燈及普通燈用酒精·鐵架臺·升降燈座DT025是一個K型熱電偶溫度探頭,量程范圍為0℃~1250℃。探頭同時配備一個適配器(TheDT025ThermocoupletypeKadapter),適配器內配備另外一個溫度探頭,用來校正熱電偶的冷端在室溫下產(chǎn)生的溫度偏移。DT025的工作原理是:熱電偶產(chǎn)生感應電壓(數(shù)量級為10-3V),這個電壓經(jīng)由適配器校正并放大,調節(jié)到0~5V(數(shù)據(jù)采集器接收的電壓范圍);數(shù)據(jù)采集器接收相應的電壓,將其轉換成正確的結果并保存在采集器內存中,以供進一步用計算機處理時調用。DT025探頭在出廠時已經(jīng)充分校正,整個量程范圍的最大誤差為±0.5%。1.3火焰溫度的測定Input1端口連接起來(如圖1);⑵開啟數(shù)據(jù)采集器,設置其采樣頻率為1persec,采集數(shù)據(jù)總數(shù)為2000(足量);⑶調節(jié)探頭位置,使其與燈芯相貼,記下此時燈座位置刻度,點燃酒精燈,待火焰穩(wěn)定后,采集燈芯溫度數(shù)據(jù);⑷每次以0.5cm為單位,調低燈座,連續(xù)采集相差0.5cm火焰的溫度數(shù)據(jù),每次采集50個,時間為50秒;測量時將焰心、內焰、外焰的位置記錄下來;⑸將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C,用Db-Lab軟件進行數(shù)據(jù)分析以及圖表繪制并將數(shù)據(jù)輸出到MicrosoftExcel中進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。2精燈各部分火焰溫度曲線圖圖2,圖3,圖4是用Db-lab進行數(shù)據(jù)處理(3次平行實驗數(shù)據(jù))所得到的酒精燈各部分火焰溫度曲線圖?；鹧婷總€部位(2個部位之間相差0.5cm)的采集時間為50s,燈座高度的調節(jié)時間為10s,因此時間軸上每1min表示火焰高度相差0.5cm,這3個圖是用這種方法來表示的火焰不同部位的溫度變化曲線。2.1內火焰的測定在本實驗中,焰心、內焰和外焰3次出現(xiàn)的位置非常吻合,焰心出現(xiàn)在0~2.5cm高度范圍內,內焰出現(xiàn)在3.0cm~4.0cm高度范圍內,外焰在4.5cm以外。(以上均以燈芯平面作為高度參考面)。2.2外火焰溫度分布分析上面3圖,有:⑴焰心、內焰部分的曲線較為平滑,燈芯的溫度(見表1)甚至與室溫相差無幾,而外焰部分曲線則劇烈波動。酒精是極易揮發(fā)的燃料,燃燒時在酒精燈燈芯上方形成酒精蒸氣,最外層的酒精蒸氣與外界大氣接觸,燃燒時與空氣的能量交換劇烈,因此外焰溫度極不穩(wěn)定,在上面3個圖中表現(xiàn)為曲線劇烈波動;中層和內層蒸氣得到外層蒸氣的保護,受外界空氣的影響較小,因此內焰和焰心波動較小,溫度比較穩(wěn)定,在上面3個圖中表現(xiàn)為曲線比較平滑。⑵最高溫度并不是出現(xiàn)在外焰,而是出現(xiàn)在內焰。外焰的酒精蒸氣受外界空氣影響較大,而且和外界空氣的能量交換劇烈,火焰的溫度受到很大的影響;焰心部位因空氣較稀薄,酒精蒸氣燃燒不充分,因此焰心的溫度不高。內焰酒精蒸氣穩(wěn)定,與空氣接觸適中,燃燒較充分,發(fā)出的光最明亮,因此最高溫度在內焰出現(xiàn)。圖5是3個實驗的溫度曲線的整合圖,3條曲線比較接近,因此,3個平行實驗得出的數(shù)據(jù)是合理的,能正確地反映酒精燈火焰的溫度變化情況。2.3統(tǒng)計結果分析利用Db-Lab軟件的數(shù)據(jù)輸出功能,將實驗數(shù)據(jù)輸出到MicrosoftExcel2000中對其進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結果如表1。從表1數(shù)據(jù)中可以看出,酒精燈火焰的內焰溫度最高,外焰次之,內焰最小。實驗證明“越往外焰酒精燃燒就越充分,放出的熱量就越多,溫度也就越高”這種說法是不正確的。2.4酒精、酒精燈發(fā)酵時產(chǎn)生的溫度不同在進行的3次平行實驗中,火焰的最高溫度都出現(xiàn)在內焰(圖2、圖3和圖4中箭頭所示)。最高溫度是一個瞬時的數(shù)值,受諸多因素的影響,如酒精的純度、酒精的蒸發(fā)情況等,而且不同的酒精燈獲得的最高溫度也不同。本實驗中采用的酒精、酒精燈都是普通的燈用酒精、實驗室酒精燈,燈壺的總容量為190mL,約裝有110mL的酒精,為總容量的2/3。表2是3次平行實驗中出現(xiàn)的最高溫度及其出現(xiàn)時間、出現(xiàn)位置等數(shù)據(jù)。3外火焰溫度