熱平衡過程可視化實驗裝置與實驗方法
【專利摘要】一種熱平衡過程可視化實驗裝置，在底座上設置連為一體上端蓋有水槽蓋板且表面射保溫層第一水槽、第二水槽、第三水槽，底座右側(cè)設光屏，第一水槽左側(cè)底座上設第一支架，第一支架上設第一半導體激光器和位于第一半導體激光器出射光方向的分光鏡，第一水槽后側(cè)底座上設第三支架，第三支架上設第三反光鏡，第三水槽前側(cè)底座上設第二支架，第二支架上設第二半導體激光器，激光束靠近第三水槽右側(cè)壁處水平橫向透過第三水槽和第一水槽，投射在第三反光鏡上，第三反光鏡將激光束反射在光屏上。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、攜帶方便、演示直觀、演示效果好等優(yōu)點，可作為傳熱學教學的演示實驗儀器。
【專利說明】
熱平衡過程可視化實驗裝置與實驗方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于傳熱學實驗儀器技術領域，具體涉及到熱平衡過程實驗設備或裝置。
【背景技術】
[0002]熱力學四大定律是熱現(xiàn)象宏觀理論的基礎。熱力學第零定律又稱為熱平衡定律，表述為:如果甲與乙，乙與丙均處于熱平衡，甲與丙兩者也彼此熱平衡。熱力學中的核心概念溫度的嚴格定義，就是建立在此定律基礎之上的。熱力學第零定律重點在于闡述熱平衡的可移轉(zhuǎn)性，但是R—H富勒根據(jù)熱平衡的傳遞性給溫度下的定義，只規(guī)定了溫度相等，不能比較溫度的高低，也不能判定不平衡的系統(tǒng)之間的熱流的方向。因此第零定律只給出熱平衡的結(jié)果，而沒有說明熱平衡的過程和原因。熱力學第二定律正好給定了自然界中自發(fā)過程的單向性，即熱量從高溫傳遞向低溫就是一個自發(fā)過程，熱力學第零定律和第二定律互為補充，對熱平衡的結(jié)果和熱傳遞的方向，給出了終極結(jié)論，這對熱現(xiàn)象宏觀理論的奠基性作用不言而喻。盡管兩個定律都是通過大量實驗總結(jié)得出，但在一般的實驗室進行實驗驗證，存在一定的困難，目前也沒有相關熱平衡過程的實驗演示儀器，使得學生不易透徹理解熱平衡定律的物理本質(zhì)。研制一種實現(xiàn)熱平衡過程可視化的實驗裝置，對于熱力學、傳熱學的實驗教學，具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個技術問題在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、演示直觀、演示效果好的熱平衡過程可視化實驗裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個技術問題在于提供一種使用熱平衡過程可視化實驗裝置的實驗方法。
[0005]解決上述技術問題所采用的技術方案是:在底座上設置連為一體透明的第一水槽、第二水槽、第三水槽，第二水槽和第三水槽位于第一水槽的前側(cè)，第一水槽的前側(cè)壁是第二水槽和第三水槽的后側(cè)壁，第二水槽左側(cè)壁的下半部是第三水槽右側(cè)壁的上半部，第一水槽、第二水槽、第三水槽上端蓋有水槽蓋板，第一水槽、第二水槽、第三水槽外表面與水槽蓋板上表面包裹加工有通光孔的保溫層，在第一水槽和第二水槽的右側(cè)底座上設置有光屏，第一水槽左側(cè)底座上設置有第一支架，第一支架上設置有第一半導體激光器和位于第一半導體激光器出射光方向的分光鏡，透過分光鏡的激光束從第一水槽內(nèi)0.8倍第一水槽高度處水平通過，投射在光屏上，激光束與第一水槽的前側(cè)壁平行，激光束中軸線到第一水槽前側(cè)壁的距離等于此處激光束截面的半徑長度，分光鏡反射的激光束垂直向下照射在設置于第一支架下部的第一反光鏡上，第一反光鏡的反射光從第一水槽內(nèi)0.2倍第一水槽高度處水平通過，投射在光屏上，激光束與第一水槽的前側(cè)壁平行，激光束中軸線到第一水槽前側(cè)壁的距離等于激光束截面的半徑長度，在第一水槽后側(cè)底座上設置有第三支架，第三支架上設置有第三反光鏡，第三水槽前側(cè)底座上設置有第二支架，第二支架上設置有第二半導體激光器，第二半導體激光器出射的激光束從第三水槽內(nèi)0.8倍第三水槽高度處水平通過，激光束與第三水槽的右側(cè)壁平行，激光束中軸線到第三水槽右側(cè)壁的距離等于此處激光束截面的半徑長度，激光束靠近第三水槽右側(cè)壁處水平橫向透過第三水槽和第一水槽，投射在第三反光鏡上，第三反光鏡將激光束反射在光屏上。
[0006]本發(fā)明的第二水槽的長度、寬度、高度與第三水槽相同，第二水槽與第三水槽的長度之和與第一水槽的長度相同，第二水槽和第三水槽的高度為第一水槽高度的2/3，第二水槽的上端與第一水槽的上端在同一個平面內(nèi)，第三水槽的下表面與第一水槽的下表面在同一個平面內(nèi)。
[0007]本發(fā)明的分光鏡的透射比為50%。
[0008]使用上述熱平衡過程可視化實驗裝置的實驗方法由下述步驟組成:
[0009]1、接通第一半導體激光器、第二半導體激光器的電源，調(diào)整第一半導體激光器、第二半導體激光器、分光鏡、第一反光鏡、第三反光鏡的位置，使第一半導體激光器輸出的透過第一水槽上部的激光束在光屏上的投射光點為右上光點，透過第一水槽下部的激光束在光屏上投射光點為右下光點，橫向透過第三水槽和第一水槽的激光束在光屏上的投射點為光屏上的左光點。
[0010]2、在光屏上標記出三束激光投射點的位置，在第一水槽中加滿自來水，第二水槽中加滿80?95 °C的熱水，第三水槽中加滿40?50 °C的熱水，第一水槽、第二水槽、第三水槽上端蓋上水槽蓋板，并開始計時。
[0011 ] 3、觀察光屏上三個投射光點的變化情況
[0012]光屏上的右上光點和右下光點向左水平方向一維擴散，形成兩個平行的一字形光斑，顯示第二水槽和第三水槽中的熱量向第一水槽中單向傳遞;光屏上的左光點向右水平方向一維擴散，形成一字形光斑，顯示第二水槽中的熱量向第三水槽中單向傳遞。
[0013]4、繼續(xù)觀察光屏上三個一字形光斑長度的變化情況，光屏上右邊三個平行的一字形光斑長度同步逐漸變短，顯示隨著第一水槽與第二水槽、第三水槽內(nèi)水的溫差變小，第一水槽中靠近前側(cè)壁水的溫度梯度逐漸變小，第三水槽與第二水槽內(nèi)水的溫差變小，第三水槽中靠近右側(cè)壁水的溫度梯度變逐漸變小。
[0014]5、光屏上三個投射光點形成的三個一字形光斑都收縮為初始位置的三個光點時終止計時，步驟3到步驟5所用的總時間為第一水槽、第二水槽、第三水槽中不同溫度水之間的熱平衡時間，通過觀察光屏上三個一字形光斑長度的變化過程，實現(xiàn)三種不同溫度水之間熱平衡過程的實時可視化。
[0015]本發(fā)明將相互連接又裝有不同溫度水的第一水槽、第二水槽、第三水槽之間通過側(cè)壁熱傳遞時側(cè)壁附近溫度梯度的大小、方向及變化過程，通過靠近側(cè)壁溫度較低的一側(cè)激光束偏折角的大小、偏折方向及變化規(guī)律來顯現(xiàn)。激光束偏折角的大小、偏折方向及變化規(guī)律又通過光屏上激光投射光點的形狀、擴展方向，實現(xiàn)了第一水槽、第二水槽、第三水槽之間通過共用側(cè)壁熱傳遞或熱平衡過程的實時可視化。
[0016]本發(fā)明熱平衡過程可視化實驗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、攜帶方便、演示直觀、演示效果好等優(yōu)點，可作為傳熱學教學的演示實驗儀器。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是圖1的俯視圖。
[0019]圖3是實施例1中光屏3上三個投射光點照片。
[0020]圖4是實施例1中光屏3上三個一字形光斑照片。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于下述的實施例。
[0022]實施例1
[0023]在圖1、2中，本實施例的熱平衡過程可視化實驗裝置由第一水槽1、第二水槽2、光屏3、第二半導體激光器4、第二支架5、第三水槽6、底座7、第一反光鏡8、第一支架9、分光鏡1、第一半導體激光器11、水槽蓋板12、第三支架13、第三反光鏡14、保溫層15聯(lián)接構(gòu)成。
[0024]在底座7上放置有連為一體的第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6，第二水槽2和第三水槽6位于第一水槽I的前側(cè)，第一水槽I的前側(cè)壁又是第二水槽2和第三水槽6的后側(cè)壁，第二水槽2左側(cè)壁的下半部又是第三水槽6右側(cè)壁的上半部，第二水槽2的長度、寬度、高度與第三水槽6的長度、寬度、高度相同，第二水槽2與第三水槽6的長度之和與第一水槽I的長度相同，第二水槽2和第三水槽6的高度為第一水槽I高度的2/3，第二水槽2的上端與第一水槽I的上端在同一個平面內(nèi)，第三水槽6的下表面與第一水槽I的下表面在同一個平面內(nèi)，本實施例的第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6由3?6mm的透明有機玻璃板或者4?8mm的石英玻璃板密封粘結(jié)制成，實驗時，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6內(nèi)裝有不同溫度的水，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6上端蓋有水槽蓋板12，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6的外表面及水槽蓋板12的上表面上包裹有保溫層15，保溫層15上加工有通光孔。
[0025]在第一水槽I和第二水槽2的右側(cè)底座7上安裝有光屏3，第一水槽I左側(cè)底座7上放置有第一支架9，第一支架9上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝有第一半導體激光器11和分光鏡10，分光鏡10位于第一半導體激光器11的出射光方向，分光鏡10的透射比為50%，透過分光鏡10的激光束從第一水槽I內(nèi)0.8倍第一水槽I高度處水平通過，投射在光屏3上，激光束與第一水槽I的前側(cè)壁平行，激光束中軸線到第一水槽I前側(cè)壁的距離等于此處激光束截面的半徑長度。分光鏡10反射的激光束垂直向下照射在設置于第一支架9下部的第一反光鏡8上，第一反光鏡8的反射光從第一水槽I內(nèi)0.2倍第一水槽I高度處水通過，投射在光屏3上，激光束與第一水槽I的前側(cè)壁平行，激光束中軸線到第一水槽I前側(cè)壁的距離等于激光束截面的半徑長度。
[0026]在第一水槽I后側(cè)底座7上放置有第三支架13，第三支架13上用螺紋緊固聯(lián)接件聯(lián)接安裝有第三反光鏡14。在第三水槽6前側(cè)底座7上放置有第二支架5，第二支架5上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝有第二半導體激光器4，第二半導體激光器4出射的激光束從第三水槽6內(nèi)0.8倍第三水槽6高度處水平通過，激光束與第三水槽6的右側(cè)壁平行，激光束中軸線到第三水槽6右側(cè)壁的距離等于此處激光束截面的半徑長度，激光束靠近第三水槽6右側(cè)壁處水平橫向透過第三水槽6和第一水槽I，投射在第三反光鏡14上，第三反光鏡14將激光束反射到光屏3上。
[0027]使用上述熱平衡過程可視化實驗裝置的實驗方法步驟如下:
[0028]1、接通第一半導體激光器11、第二半導體激光器4的電源，調(diào)整第一半導體激光器11、第二半導體激光器4、分光鏡10、第一反光鏡8、第三反光鏡14的位置，使第一半導體激光器11輸出的透過第一水槽I上部的激光束在光屏3上的投射光點為右上光點，透過第一水槽I下部的激光束在光屏3上的投射光點為右下光點，橫向透過第三水槽6和第一水槽I的激光束在光屏3上的投射點為光屏3上的左光點。
[0029]2、在光屏3上標示出如圖3所示的三束激光投射點的位置，在第一水槽I中加滿自來水，在第二水槽2中加滿80?95 0C的熱水，第三水槽6中加滿40?50 °C的熱水，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6上端蓋上水槽蓋板12，并開始計時。
[0030]3、觀察光屏3上三個投射光點的變化情況
[0031]光屏3上的三個投射光點出現(xiàn)如圖4所示的變化，光屏3上的右上光點和右下光點向左水平方向一維擴散，形成兩個平行的一字形光斑，說明第二水槽2和第三水槽6中的熱量向第一水槽I中單向傳遞；同時光屏3上的左光點向右水平方向一維擴散，形成一字形光斑，說明第二水槽2中的熱量向第三水槽6中單向傳遞。
[0032]4、繼續(xù)觀察光屏3上三個一字形光斑長度的變化情況，光屏3上三個平行的一字形光斑長度同步逐漸變短，說明隨著第一水槽I與第二水槽2、第三水槽6內(nèi)水的溫差變小，相應第一水槽I中靠近前側(cè)壁水的溫度梯度逐漸變小，第三水槽6與第二水槽2內(nèi)水的溫差變小，相應的第三水槽6中靠近右側(cè)壁水中的溫度梯度逐漸變小。
[0033]5、光屏3上三個投射光點形成的三個一字形光斑都收縮為如圖3所示的初始位置的三個光點時終止計時，步驟3到步驟5所用的總時間為第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中不同溫度水之間的熱平衡時間，通過觀察光屏3上三個一字形光斑長度的變化過程，實現(xiàn)了三種不同溫度水之間熱平衡過程的實時可視化。
[0034]本發(fā)明的工作原理如下:
[0035]第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6內(nèi)裝有不同溫度的水，第一水槽I與第二水槽2、第三水槽6相互之間側(cè)壁兩側(cè)存在溫差，第二水槽2和第三水槽6中水的熱量通過第一水槽I的前側(cè)壁向第一水槽I內(nèi)自來水中傳遞，第二水槽2中溫度較高水的熱量通過第二水槽2與第三水槽6相互之間側(cè)壁向第三水槽6內(nèi)溫度較低的水中傳遞。在第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6之間通過相互間側(cè)壁熱傳遞過程中，靠近側(cè)壁處水中的溫度梯度最大，折射率梯度也最大，越靠近相互之間側(cè)壁處，水的折射率越小。可以認為激光束是由許多平行光線集合而成的，靠近相互之間側(cè)壁的激光束中不同光線通過處的折射率梯度不同，由于光線在非均勻介質(zhì)中傳輸時向折射率大的區(qū)域偏折，即向水溫度較低的方向偏折。因此，激光束中靠近相互之間側(cè)壁的光線向離開側(cè)壁方向的偏折角最大，激光束中離導熱側(cè)壁距離最大的光線的偏折角最小。使得未加熱水前光屏3上原先的光點擴展為一字形光斑。光屏3上光點的擴展方向即為熱傳遞方向。
[0036]由于第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中不同溫度的水通過相互間側(cè)壁熱傳遞的起始，幾個水槽中水的溫差最大，相互間側(cè)壁兩面附近水的溫度梯度最大，折射率梯度最大，這時靠近相互間側(cè)壁的光線偏折角最大，光屏3上的投射光點擴散成的一字形光斑最長。隨著熱傳遞的進行，第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中水的溫差逐漸減小，溫度梯度逐漸減小，折射率梯度也就逐漸減小，通過光線的偏折角逐漸減小，光屏3上一字形光斑的長度逐漸縮短。當?shù)谝凰?、第二水槽2、第三水槽6中水溫隨著熱傳遞進行而趨于一致，逐漸達到熱平衡，水中的溫度梯度逐漸變?yōu)榱悖蛔中喂獍咧匦驴s為光點。通過觀察光屏3上一字形光斑逐漸縮為光點的整個過程，實現(xiàn)了第一水槽1、第二水槽2、第三水槽6中不同溫度水之間的熱傳遞方向和熱平衡過程的可視化。
【主權(quán)項】
1.一種熱平衡過程可視化實驗裝置，其特征在于:在底座(7)上設置連為一體透明的第一水槽(I)、第二水槽(2)、第三水槽(6)，第二水槽(2)和第三水槽(6)位于第一水槽(I)的前側(cè)，第一水槽(I)的前側(cè)壁是第二水槽(2)和第三水槽(6)的后側(cè)壁，第二水槽(2)左側(cè)壁的下半部是第三水槽(6)右側(cè)壁的上半部，第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)上端蓋有水槽蓋板(12)，第一水槽(I)、第二水槽(2)、第三水槽(6)外表面與水槽蓋板(12)上表面包裹加工有通光孔的保溫層(15)，在第一水槽(I)和第二水槽(2)的右側(cè)底座(7)上設置有光屏(3)，第一水槽(I)左側(cè)底座(7)上設置有第一支架(9)，第一支架(9)上設置有第一半導體激光器(11)和位于第一半導體激光器(11)出射光方向的分光鏡(10)，透過分光鏡(10)的激光束從第一水槽(I)內(nèi)0.8倍第一水槽(I)高度處水平通過，投射在光屏(3)上，激光束與第一水槽(I)的前側(cè)壁平行，激光束中軸線到第一水槽(I)前側(cè)壁的距離等于此處激光束截面的半徑長度，分光鏡(10)反射的激光束垂直向下照射在設置于第一支架(9)下部的第一反光鏡(8)上，第一反光鏡(8)的反射光從第一水槽(I)內(nèi)0.2倍第一水槽(I)高度處水平通過，投射在光屏(3)上，激光束與第一水槽(I)的前側(cè)壁平行，激光束中軸線到第一水槽(I)前側(cè)壁的距離等于激光束截面的半徑長度，在第一水槽(I)后側(cè)底座(7)上設置有第三支架(13)，第三支架(13)上設置有第三反光鏡(14)，第三水槽(6)前側(cè)底座(7)上設置有第二支架(5)，第二支架(5)上設置有第二半導體激光器(4)，第二半導體激光器(4)出射的激光束從第三水槽(6)內(nèi)0.8倍第三水槽(6)高度處水平通過，激光束與第三水槽(6)的右側(cè)壁平行，激光束中軸線到第三水槽(6)右側(cè)壁的距離等于此處激光束截面的半徑長度，激光束靠近第三水槽(6)右側(cè)壁處水平橫向透過第三水槽(6)和第一水槽(I)，投射在第三反光鏡(14)上，第三反光鏡(14)將激光束反射在光屏(3)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱平衡過程可視化實驗裝置，其特征在于:所述的第二水槽(2)的長度、寬度、高度與第三水槽(6)相同，第二水槽(2)與第三水槽(6)的長度之和與第一水槽(I)的長度相同，第二水槽(2)和第三水槽(6)的高度為第一水槽(I)高度的2/3，第二水槽(2)的上端與第一水槽(I)的上端在同一個平面內(nèi)，第三水槽(6)的下表面與第一水槽(I)的下表面在同一個平面內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱平衡過程可視化實驗裝置，其特征在于:所述的分光鏡(10)的透射比為50 %。4.一種使用權(quán)利要求1熱平衡過程可視化實驗裝置的實驗方法，其特征在于該方法由下述步驟組成: 1)接通第一半導體激光器(11)、第二半導體激光器(4)的電源，調(diào)整第一半導體激光器(11)、第二半導體激光器(4)、分光鏡(10)、第一反光鏡(8)、第三反光鏡(14)的位置，使第一半導體激光器(11)輸出的透過第一水槽(I)上部的激光束在光屏(3)上的投射光點為右上光點，透過第一水槽(I)下部的激光束在光屏(3)上投射光點為右下光點，橫向透過第三水槽(6)和第一水槽(I)的激光束在光屏(3)上的投射點為光屏(3)上的左光點； 2)在光屏(3)上標記出三束激光投射點的位置，在第一水槽(I)中加滿自來水，第二水槽(2)中加滿80?95°C的熱水，第三水槽(6)中加滿40?50°C的熱水，第一水槽(I)、第二水槽(2)、第三水槽(6)上端蓋上水槽蓋板(12)，并開始計時； 3)觀察光屏(3)上三個投射光點的變化情況 光屏(3)上的右上光點和右下光點向左水平方向一維擴散，形成兩個平行的一字形光斑，顯示第二水槽(2)和第三水槽(6)中的熱量向第一水槽(I)中單向傳遞;光屏(3)上的左光點向右水平方向一維擴散，形成一字形光斑，顯示第二水槽(2)中的熱量向第三水槽(6)中單向傳遞； 4)繼續(xù)觀察光屏(3)上三個一字形光斑長度的變化情況，光屏(3)上右邊三個平行的一字形光斑長度同步逐漸變短，顯示隨著第一水槽(I)與第二水槽(2)、第三水槽(6)內(nèi)水的溫差變小，第一水槽(I)中靠近前側(cè)壁水的溫度梯度逐漸變小，第三水槽(6)與第二水槽(2)內(nèi)水的溫差變小，第三水槽(6)中靠近右側(cè)壁水的溫度梯度變逐漸變??； 5)光屏(3)上三個投射光點形成的三個一字形光斑都收縮為初始位置的三個光點時終止計時，步驟3)到步驟5)所用的總時間為第一水槽(1)、第二水槽(2)、第三水槽(6)中不同溫度水之間的熱平衡時間，通過觀察光屏(3)上三個一字形光斑長度的變化過程，實現(xiàn)三種不同溫度水之間熱平衡過程的實時可視化。
【文檔編號】G09B23/16GK106057036SQ201610617054
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月30日
【發(fā)明人】張宗權(quán), 李永放, 徐銘, 李文文, 田玉龍, 姚杰, 郭恒源, 劉統(tǒng)波, 郭雅 , 郭學鈺
【申請人】陜西師范大學