物化实验课件-王杰-燃烧热-二组分相图.ppt

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1、实验一：燃烧热的测定,Determination of Combustion Heats,聊城大学材料科学与工程学院王杰（）,目录,1.实验目的,2.实验原理,3.仪器与试剂,4.实验步骤,5.注意事项,6.数据处理,实验报告评分标准（100）,课前预习（8+2）（包括目的、原理与本节实验相关的知识点+5，不理解部分记录，提出问题+2）卷面（10）实验数据处理部分（25)结果讨论与实验结论部分（20+15(误差来源分析）思考题部分（8+2（补充）实验报告互评（10）A组BC-D,认真、规范,附便贴：评语：B组XX同学书写认真规范、结果讨论充分、误差分析正确、思考题全面正确、建议XX分。A组XX

2、批改合理A组XX 加10分,1.实验目的,了解氧弹式量热计的原理、构造及其使用方法;了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的区别;用氧弹式量热计测定十六醇的燃烧热;学会用雷诺图解法校正温度变化。,2.实验原理,燃烧热：1mol物质在氧气中完全燃烧时的热效应。恒压燃烧热：Qp=H（我们关心的，但不易测量）恒容燃烧热：QV=U（实验容易测量的）,由 H=U+PV定义，可知 H=U+（PV）,Qp=Qv+nRT,使用恒压燃烧法需要一个无摩擦的活塞，这是机械摩擦的理想境界，是做不到的；使用恒压燃烧方法，氧气浓度难以达到高压，会造成燃烧不完全，带来实验测定的实验误差。,2.能否直接将温度计直接插入到高压氧弹中测量温

3、差？,在氧弹中要充入高压的氧气，燃烧瞬间将产生高温，温度计是玻璃或者金属外壳，无法承受高压和高温，用热电偶精度不够。,2.实验原理,1.Qp=Qv+nRT 为什么不直接测Qp？,根据能量守恒定律，由体系在燃烧前后温度的变化，就可以求算该物质恒容摩尔燃烧热QV。,2.实验原理,被测物质在氧弹中完全燃烧所释放的热量使氧弹本身及周围的介质和热量计有关附件的温度升高。,3.仪器与试剂,(1)仪器：氧弹式量热计，氧气钢瓶，电子天平(2)试剂：苯甲酸（A.R）,十六醇（A.R）,燃烧丝，棉线,3.1 氧弹式量热计,3.1 氧弹式量热计,外桶,空气夹层,内桶,数字温度计,弹头,提高实验精确度=减少热量交换,

4、体系环境,K-仪器参数，几部分,3.1 氧弹式量热计,策略：1、控制样品的质量 2、调整内筒水温比外筒低一度左右 3、雷诺校正温差,提高实验精确度=减少内筒与外筒热量交换,4.实验步骤,样品压片装置氧弹,氧弹充氧气,装置热量计,点火燃烧升温的测量,称量剩余燃烧丝的质量，整理准备下次实验,1.量热计水当量K 的测定苯甲酸标定法,2.测量十六醇的燃烧热 称取0.8g左右十六醇，重复上述步骤测定之。（十六醇为什么是0.8克。苯甲酸1.0克左右）,4.1 样品压片和装置氧弹,(1)仪器预热：将量热计及其全部附件清理干净，将仪器通电预热。(2)样品压片 粗称1g左右的苯甲酸，压成片状；取约15cm长的燃

5、烧丝和棉线各一根，分别准确称重；用棉线把燃烧丝绑在苯甲酸片上，准确称重。(3)氧弹充氧，燃烧丝两端分别绕在弹头的两根电极上；氧弹中加入10mL蒸馏水（本实验不加水），拧紧。,4.2 氧弹充氧气,先总后总-“逆来顺受”,（1）用万用电表测量氧弹上两电极是否通路（两极电阻约10），如不通应打开氧弹重装，如通路即可充氧，已经测过。（2）当充氧时，开始先充约0.5 MPa氧气，然后放掉以赶出空气。再充入1MPa氧气。-目的？,4.3 装置热量计,（1）用容量瓶准确量取已被调好的低于外桶水温0.5-1.0的蒸馏水3000ml，装入量热计内桶；（2）装好搅拌器，将点火装置的电极与氧弹的电极相连；（3）将已

6、调好的贝克曼温度计插入桶内，盖好盖子，开始搅拌。,4.4 点火燃烧和升温的测量,测定水当量，打开搅拌器，待温度稳定后开始记录数据，开始30s记录一次，记录10次。开启“点火”按钮，当温度明显升高时，说明点火成功，同时在点火后记10-20个数据，待温度再次稳定后(缓慢下降时）记录10个数据。-总结该仪器的绝热效果。,4.5 整理设备，准备下一步实验,（1）停止搅拌，取氧弹，放出余气，打开氧弹盖，若氧弹中无灰烬，表示燃烧完全，将剩余燃烧丝称重。（2）倒掉氧弹和量热计桶中的水，并擦干、吹干。,下一步实验：测量十六醇的燃烧热 称取0.8g左右十六醇，重复上述步骤测定之。,5.注意事项,(1)充氧：氧气

7、钢瓶在开总阀之前要把减压阀关好；第一次充氧约5大气压赶空气；第二次充氧10大气压（充氧不足则燃烧不完全）。(2)内筒水温要比外筒水温低0.5-1，第二个未知样品要换水,重新调节水温。(3)本实验的关键是点火丝的安装是否成功，在点火前务必要检查氧弹的两电极间的导通情况。(4)实验完毕要把氧气钢瓶总阀关上，排净余气使指针回零后再关好减压阀(若未排净余气，时间长了弹簧表就不准了)(5)实验完毕后注意擦氧弹，内筒以及搅拌装置，并洗干净纱布,6.数据处理,数据记录：M（一粗 四精）;T（10+20+10）；环境温度；,雷诺温度校正图,QV=水当量*温差,6.数据处理,1由苯甲酸数据求出水当量K,已知：Q

8、镍铬丝-1400.8Jg-1；Q棉线-17479Jg-1,查表知：25时苯甲酸Qp-3228.0 kJ/mol,苯甲酸的Um:,根据基尔霍夫方程得到本实验环境温度下苯甲酸的Qp,6.数据处理,2由十六醇数据求其Qp(a),3误差估算,查表-25时十六醇Qp,思考题,1.为什么要进行雷诺校正？2.本实验中，那些为体系？那些为环境？实验过程中有无热损耗，如何降低热损耗？3.测量体系与环境之间有没有热量的交换？（即测量体系是否是绝热体系？）如果有热量交换的话，能否定量准确地测量出所交换的热量？4.在环境恒温式量热计中，为什么内筒水温要比外筒水温低？低多少合适？5.欲测定液体样品的燃烧热，你能想出测定

9、方法吗？6.说明恒容热和恒压热的关系。苯甲酸物质在本实验中起到什么作用？7.实验终那些因素容易造成误差？最大误差是哪种？提高本实验的准确度应该从哪方面考虑？8.,实验二：二组分金属相图绘制,Drawing of Binary Metallic Phase Diagram,目录,1.实验目的,2.实验原理,3.仪器与试剂,4.实验步骤,5.注意事项,6.数据处理,1.实验目的,1.了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定；,3.用热分析法测绘SnBi二组分金属相图。,2.了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法，掌握自动平衡记录仪的使用方法。,测绘金属相图常

10、用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。,步冷曲线特点,2.实验原理,当熔融体系在均匀冷却过程中无相变化时，其温度将连续均匀下降得到一光滑的冷却曲线，当体系内发生相变时，则体系产生的相变热与自然冷却释放的热量相抵消。,冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。,2.实验原理,纯Bi的步冷曲线,加热到a点，,2.冷至A点,3.冷至B点,全部变为固体Bi后，温度又下降,纯Sn步冷曲线与之相同,Bi全部熔化,去掉热源，让它自然冷却。,固体Bi开始析出，温度不改变，Bi熔点。

11、,例：Sn-Bi二元相图的绘制,1.加热到b点,2.冷至C点，,Bi-Sn全部熔化，温度下降，组成可变。,固体Bi开始析出，温度可以下降。,3.D点固体,4.熔液消失，Bi和Sn共存，温度又下降。,W（Bi）=0.2,Bi、Sn同时析出，温度不能改变。,例：Sn-Bi二元相图的绘制,例：Sn-Bi二元相图的绘制,热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度；,但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。见图，遇此情况，可延长dc线

12、与ab线相交，交点e即为转折点。,有过冷现象的步冷曲线,2.实验原理,3.仪器试剂,（2）试剂 Sn(化学纯)；Bi(化学纯)；石腊油；石墨粉。,（1）仪器：JX-3D型金属相图测控装置（含热电偶）;10A型或1A型炉体加热装置。不锈钢样品管,1.加热炉,2.不锈钢管,3.套管,4.热电偶,4.实验步骤,样品配制,用感量0.1g的台称分别称取纯Sn、纯Bi各50g，另配制含锡20%、40%、60%、80%的铋锡混合物各50g，分别置于坩埚中，在样品上方各覆盖一层石墨粉。,(1)将热电偶及测量仪器连接好，将测量仪器连接好。将数字控温仪和可控升降温电炉连接好，接通电源，将电炉置于外控状态。,绘制步

13、冷曲线,将温度传感器插入样品管细管中，样品管放入加热炉，炉体的挡位拨至相应炉号。按“设置”按钮，温度显示器(左)显示“C”，为设置目标温度(100-500)，按“+1”增加，按“-1”减少，按“X10”左移一位扩大10倍，设置目标温度（180,110-平台）;再按“设置”按钮，温度显示器显示“P1”，设置加热功率(500W,0-500W);再按“设置”按钮，温度显示器显示“P2”，设置保温功率(0 W,0-50W);,仪器设备参数设置:,再按“设置”按钮，温度显示器显示“t1”设置报警间隔时间(1-99s)，通常选择30 s。再按“设置”按钮，温度显示器显示“n”,设置是否报警，n=1表示报警

14、(蜂鸣器发声)，n=0表示不报警(蜂鸣器不发声)，再按“设置”按钮，为确定。按“加热”按钮，加热器开始加热。按“停止”按钮，加热器停止加热或自动停止加热。,仪器设备参数设置:,(2)将样品放入加热炉内加热(炉温不超过400)。待样品熔化后停止加热；(3)将坩埚移至保温炉中冷却，热电偶的尖端应置于样品中央。同时开启记录仪绘制步冷曲线，直至水平线段以下为止；(4)用上述方法绘制所有样品的步冷曲线。,4.实验步骤,（1）用电炉加热样品时，温度要适当，温度过高样品易氧化变质；温度过低或加热时间不够则样品没有完全熔化，步冷曲线转折点测不出。（2）热电偶热端插到样品中心部位，管内注入少量的石腊油，热电偶浸

15、入油中。搅拌时注意勿使热端离开样品，金属熔化后常使热电偶玻璃套管浮起，这些因素都会导致测温点变动。（3）合金有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停止实验；否则，须重新测定。（4）冷却速度不宜过快，以防步冷曲线转折点不明显。冷却过程中防止样品挥发、氧化、或熔入其它杂质等。（5）样品加热炉号与加热档号要一一对应.,5.注意事项,6.数据处理,1.根据记录的时间和温度绘制步冷曲线图。,2.找出各步冷曲线中拐点和 平台对应的温度值。,3.以温度为纵坐标，以物质组成 为横坐标，绘出SnBi金属相图。,Sn-Bi二元相图的绘制,如何选择实验点？,1.本实验的关键是步冷曲线上折变和水平线段是否明显。步

16、冷曲线上温度变化的速率取决于体系与环境间的温差、体系的热容量、体系的热传导率等因素，若体系析出固体放出的热量抵消散失热量的大部分，转折变化明显，否则就不明显。,控制好样品的降温速度很重要，一般控制在6/min 8/min，在冬季室温较低时，就需要给体系降温过程加以一定的电压（约20V左右）来减缓降温速率。,实验讨论,2.本实验所用体系为Sn-Bi低熔点金属体系，但它们的蒸气对人体健康有危害，因而要在样品上方覆盖石墨粉或石蜡油，防止样品的挥发和氧化。,3.BiSn相图是具有代表性的部分互溶固液体系相图。这种体系由三个两相区和一条三相共存线。但是两侧各有一个固溶区，以Sn为只要成分的为区，以Bi为主要成分的为区。一个相图的完整绘制，除了采用热分析法外，常需借助其它技术。例如相的存在和固溶区线的确定，可用金相显微镜、x射线衍射方法以及化学分析法等。,实验讨论,思考题,1.为什么在不同组分的融熔液的步冷曲线上，最低共熔点的水平线段长度不同？为什么？2.作相图还有哪些方法？3.作图时应注意那些问题？4.做好步冷曲线的关键是什么？5.是否可以用升温曲线来做相图？6.为什么要缓慢冷却合金做步冷曲线？7.为什么样品中严防进入杂质？如果进入杂质则步冷曲线会出现什么情况？8、试用相律分析各步冷曲线上出现平台的原因。9,谢谢！,