实验1 恒温槽的装配和性能测定

1.      引言

1.1.实验目的

1.1.1.      了解恒温槽的构造及恒温原理，初步掌握其装配和调试的基本技术

1.1.2.      绘制恒温槽的灵敏度曲线（温度——时间曲线），学会分析恒温槽的性能

1.1.3.      掌握水银接点温度计、热敏电阻温度计、继电器、自动平衡记录仪的基本测量原理与使用方法

1.2.实验原理

许多物理化学实验都需要在恒温条件下进行。欲控制被研究体系的某一温度，通常采取两种方法：一是利用物质相变时温度的恒定性来实现，叫介质浴。如：液氮（-195.9℃）、冰－水（0℃）、沸点水（100℃）、干冰－丙酮（-78.5℃）、沸点萘（218℃）等等。相变点介质浴的最大优点是装置简单、温度恒定。缺点是对温度的选择有一定限制，无法任意调节。另一种是利用电子调节系统，对加热或制冷器的工作状态进行自动调节，使被控对象处于设定的温度之下。

本实验讨论的恒温水浴就是一种常用的控温装置，它通过继电器、温度调节器（水银接点温度计）和加热器配合工作而达到恒温的目的。其简单恒温原理线路如图1所示。当水槽温度低于设定值时，线路I是通路，因此加热器工作，使水槽温度上升；当水槽温度升高到设定值时，温度调节器接通，此时线路II为通路，因电磁作用将弹簧片D吸下，线路I断开，加热器停止加热；当水槽温度低于设定值时，温度调节器断开，线路II断路，此时电磁铁失去磁性，弹簧片回到原来的位置，使线路I又成为通路。如此反复进行，从而使恒温槽维持在所需恒定的温度。

恒温槽由浴槽、温度计、接点温度计、继电器、加热器、搅拌器等部件组成。如图2所示。为了对恒温槽的性能进行测试，图中还包括一套热敏电阻测温装置。现将恒温槽主要部件简述如下。

①       浴槽  浴槽包括容器和液体介质。根据实验要求选择容器大小，一般选择10L或者20L的圆形玻璃缸做为容器。若设定温度与室温差距较大时，则应对整个缸体保温。以减少热量传递，提高恒温精度。

恒温槽液体介质根据控温范围选择，如：乙醇或乙醇水溶液（-60－30℃）、水（0－100℃）、甘油或甘油水溶液（80－160℃）、石蜡油、硅油（70－200℃）。本实验采用去离子水为工作介质，如恒温在50℃以上时，可在水面上加一层液体石蜡，避免水分蒸发。

②       温度计  观察恒温浴槽的温度可选择1/10℃水银温度计，测量恒温槽灵敏度则采用热敏电阻测温装置。将热敏电阻与1/10℃温度计绑在一起，安装位置应尽量靠近被测系统。

③       接点温度计（温度调节器）  接点温度计又称接触温度计或水银导电表，如图3所示。它的下半段是水银温度计，上半段是控制指示装置。温度计上部的毛细管内有一根金属丝和上半段的螺母相连，螺母套在一根长螺杆上。顶部是磁性调节冒，当转动磁性调节冒时螺杆转动，可带动螺母和金属丝上下移动，螺母在温度调节指示标尺的位置就是要控制温度的大致温度值。顶部引出的两根导线，分别接在水银温度计和上部金属丝上，这两根导线再与继电器相连。当浴槽温度升高时，水银膨胀上升，与上面的金属丝接触，继电器内线圈通电产生磁场，加热线路弹簧片吸下，加热器停止加热。随着浴槽热量的散失，温度下降，水银收缩并与上面的金属丝脱离，继电器电磁效应消失，弹簧片回到原来位置，接通加热电路，系统温度回升。如此反复，从而使系统温度得到控制。

需要注意的是，温度调节指示标尺的刻度一般不是很准确，恒温槽温度的设定和测量需要1/10℃温度计来完成。

接点温度计是恒温槽的重要部件，它的灵敏度对控温精度起着关键作用。

④       继电器  继电器与加热器和接点温度计和加热器相连，组成温度控制系统。实验室常用的继电器有晶体管继电器和电子管继电器。典型的晶体管继电器电路如图2-1-4所示，它是利用晶体管工作在截止区以及饱和区呈现的开关特性制成的。其工作过程是：当接点温度计T_r断开时时，E_c通过R_k给锗三极管BG的基极注入正向电流I_b，使BG饱和导通，继电器J的触点K闭合，接通加热电源。当温度升高至设定温度，接点温度计T_r接通，BG的基极和发射极被短路，使BG截至，触点K断开，加热停止。当继电器J线圈中的电流突然变小时，会感生出一个较高的反电动势，二极管D的作用是将它短路，避免晶体管被击穿。必须注意的是，晶体管继电器不能在高温下工作，因此不能用于烘箱等高温场合。

⑤       加热器  常用的是电加热器。加热器的选择原则是热容量小、导热性能好、功率适当。加热器功率的大小是根据恒温槽的大小和所需控制温度的高低来选择的。通常我们都在加热器前加一个和加热器功率相适应的调压器，这样加热功率可根据需要自由调节。

⑥       搅拌器  搅拌器的选择与工作介质的粘度有关，如：水、乙醇类粘度较小的工作介质选择功率40W左右的搅拌器。若工作介质粘度或搅拌棒的叶片较大时，应选择功率大一些的搅拌器。

⑦       热敏电阻测温装置  用来对恒温槽的性能进行测试，测温原理见附录温度的测量与控制。

综上所述，恒温效果是通过一系列元件的动作来获得的。因此不可避免地存在着滞后现象，如温度传递、感温元件、继电器、加热器等的滞后。因此，装配时除对上述各元件的灵敏度有一定要求外，还应根据各元件在恒温槽中作用，选择合理的摆放位置，合理的布局才能达到理想的恒温效果。灵敏度是恒温槽恒温好坏的一个重要标志。一般在指定温度下，以、分别表示开始加热和停止加热时槽内水的温度（相对值），以为纵坐标，时间t为横坐标，记录仪自动画出灵敏度曲线如图4。

若最高温度为，最低温度为，测得恒温槽的灵敏度为

通过对上述曲线分析可以看出图中（a）表示灵敏度较高；（b）表示灵敏度较低；（c）表示加热功率偏大。如果加热器功率偏小，则达不到设定的温度值。

2.      实验内容

2.1.实验条件

室温 实验开始：17.7℃ 实验结束19.0℃

气压 实验开始：101.87kPa 实验结束：101.79kPa

2.2.实验仪器

恒温槽1套：玻璃缸、电动搅拌器、1/10℃温度计、电加热器、继电器、调压器；热敏电阻温度计、电阻箱、甲电池、电桥盒、记录仪、放大镜等各一个。

2.3.实验操作

2.3.1          恒温槽的装配  根据所给原件和仪器，按图2-1-2安装恒温槽，接好线路，经教师检查后方可接通电源。

2.3.2          恒温槽的调试  玻璃缸中加入去离子水，约总容积的4/5。打开搅拌器（中速搅拌）、继电器，旋开接点温度计上端磁性调节帽固定螺丝，调节设定温度至比要实际设定的温度低一些的位置（因为温度调节指示标尺的刻度一般不是很准确，适当调低一点防止超过需要设定的温度）。为了保证恒温效果，单加热型恒温槽温度设定最低值一般要高于室温8～10℃，加热开始。开始可将加热电压调到200V左右，待接近设定温度时，适当降低加热电压。仔细观察1/10℃温度计，当水槽温度将要达到设定值时，旋转磁性调节帽，使接点温度计上部的金属丝与水银处于通断的临界状态，可通过继电器指示灯判断。再观察1/10℃温度计，所示温度是否是要设定的温度，进行进一步调整。最后拧紧磁性调节帽的固定螺钉。

2.3.3          温度波动曲线的测定  打开记录仪和电桥盒上的开关，用电阻箱将电桥调平衡，使记录笔停在记录纸的中部。判断电桥电源极性是否连接正确，增大阻值，记录笔应向右侧移动，升高温度，记录笔也应向右侧移动。反之则需将甲电池正负接线对调。记录仪走纸速度定在定在4mm/min，开始记录，记录7～8个周期即可停止。

2.3.4          布局对恒温槽灵敏度的影响  改变各元件间的相互位置，重复测定温度波动曲线，找出一个合理的最佳布局。

2.3.5          影响温度波动曲线的因素  选定某个布局，分别改变加热电压（加热功率）和搅拌速度，测定温度波动曲线与未改变条件的温度波动曲线比较。

2.3.6          测定热敏电阻温度计的仪器常数（℃/格）  将恒温槽温度升高，用放大镜观察1/10℃温度计， 记录温度升高0.3～0.5℃记录笔移动的格数。

2.3.7          实验结束。剪下记录纸，将仪器复原。

2.4.注意事项

2.4.1.        1/10℃温度计所在位置就将来利用这个恒温槽做实验的系统所在区域。

2.4.2.        温度设定时要留有提前量，避免水槽温度高于欲设定值。

2.4.3.        接点温度计的刻度不是很准确，温度的设定与测量以1/10℃温度计为准。

3.      结果与讨论

3.1.原始结果

3.1.1.        仪器常数探究

平均0.008℃/格

3.1.2.        布局探究：走纸速度：4mm/min，加热电压100V 搅拌速度4档，设定温度25.0℃ 热敏电阻仪常数：0.0080℃/格。

符号说明：    :控温装置   :热敏电阻 ：搅拌器 ：加热器

：水流方向

3.1.3.        参数对灵敏度的影响

实验布局：，走纸速度：4mm/min

3.2.数据处理

关系探究

加热电压100V，搅拌速度6档，最高点最低点平均格数差：0.6，最高点最低点温度差：0.0048，灵敏度：0.0024

加热电压150V，搅拌速度4档，最高点最低点平均格数差：5.53，最高点最低点温度差：0.0443，灵敏度：0.0221

3.3. 结果分析

3.3.1.        布局对灵敏度的影响

从实验数据可以看出，不同布局的情况下，组四灵敏度最高。通过分析可以看出，由于搅拌器在加热器的上游，而接点温度计在加热器的下游，所以温度调节器周围的温度较为均匀，所以恒温槽的灵敏度较高。而其他组由于搅拌器与加热器相距较远，所以整个恒温槽中的水温并不是十分均匀，这就导致系统误差的增大而使恒温槽的灵敏度下降。

3.3.2.        加热功率对灵敏度的影响

由实验数据可以看出，功率过大会使得恒温槽的灵敏度下降。分析原因，我们认为当恒温槽温度达到设定值时，加热电路断开，但是恒温槽的温度会继续上升一段时间，而这段时间内上升的温度与加热功率为正相关关系，所以实验时加热功率不应不大。同时考虑到散热，加热功率太小也同样会造成恒温槽灵敏度的下降。所以应在实验时选择适当的加热功率。

3.3.3.        搅拌速度对恒温槽灵敏度的影响

由实验数据可以看出，增大搅拌速度恒温槽的灵敏度将会升高。这主要是由于系统内的温度随着搅拌速度的增加而变得更加均匀，这一点有利于恒温槽灵敏度的提高。

3.3.4.        此外，环境温度与设定温度差值大，一个周期经历时间就小

4.      参考文献

基础物理化学实验 贺德华 麻英 高等教育出版社 2007

5.      思考题

5.1. 恒温槽的恒温原理是什么？

答：见试验部分。

5.2. 恒温槽内各处温度是否相等？为什么？

答：恒温槽内各处温度并不相等。

恒温槽的热传递过程可以表示为：加热器——水——环境。在该过程中，恒温槽内各处都能起储存能量和传递能量的作用，而热量的传递要求恒温槽内各处存在温差，即及恒温槽内各处温度不相等。一般的认为，加热器附近的温度最高，其他地方的温度则受布局、搅拌速度和加热功率等的影响。

5.3. 欲提高恒温槽的灵敏度,主要通过哪些途径？

答：①恒温槽是通过一系列元件的动作获得的，因此，提高各元件的灵敏度有助于提高恒温槽整体的灵敏度。

②通过元件相对位置的改变，找出最佳的位置组合。

③适当的提高搅拌功率，提高恒温介质流动性，传热性能。

④加热器功率要适宜，选用合适的加热电压。

第二篇：实验二 超级电容器的组装及性能测试实验指导书

实验二  超级电容器的组装及性能测试

实验名称：超级电容器的组装及性能测试

所涉及课程：工程化学

计划学时：4学时

一、实验目的

1．掌握超级电容器的基本原理及特点；

2．掌握电极片的制备及电容器的组装；

3．掌握电容器的测试方法及充放电过程特点。

二、实验原理

1．电容器的分类

电容器是一种电荷存储器件，按其储存电荷的原理可分为三种：传统静电电容器，双电层电容器和法拉第准电容器。

传统静电电容器主要是通过电介质的极化来储存电荷，它的载流子为电子。

双电层电容器和法拉第准电容储存电荷主要是通过电解质离子在电极/溶液界面的聚集或发生氧化还原反应，它们具有比传统静电电容器大得多的比电容量，载流子为电子和离子，因此它们两者都被称为超级电容器，也称为电化学电容器。

2．双电层电容器

双电层理论由19世纪末Helmhotz等提出。Helmhotz模型认为金属表面上的净电荷将从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极/溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，即双电层。   

双电层电容器的基本构成如图1，它是由一对可极化电极和电解液组成。

双电层由一对理想极化电极组成，即在所施加的电位范围内并不产生法拉第反应，所有聚集的电荷均用来在电极的溶液界面建立双电层。

这里极化过程包括两种:

（1）电荷传递极化（2）欧姆电阻极化。

当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中成电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

（a）非充电状态下的电位   （b）充电状态下的电位    （c）超级电容器的内部结构

图1 双电层电容器工作原理及结构示意图

3．法拉第准电容器

    对于法拉第准电容器而言，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，还包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。对于其双电层电容器中的电荷存储与上述类似，对于化学吸脱附机理来说，一般过程为：电解液中的离子(一般为H+或OH-)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应：

     MOx+H+(OH-)+(-)e-→MO(OH)                (1)

进入到电极表面活性氧化物的体相中，由于电极材料采用的是具有较大比表面积的氧化物，这样就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。根据(1)式，放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容器的充放电机理。

    在电活性物质中，随着存在法拉第电荷传递化学变化的电化学过程的进行，

极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应，充放电行为类似于电容器，而不同于二次电池，不同之处为：

 （1）极化电极上的电压与电量几乎呈线性关系；

（2）当电压与时间呈线性关系时，电容器的充放电电流为恒定值。

                          (2)

4．电容量及等效串连内阻的计算

对于超级电容器的双电层电容可以用平板电容器模型进行理想等效处理。根据平板电容模型，电容量计算公式为：

                           (3)

其中C为电容（F）；为介电常数；S为电极板正对面积，等效双电层有效面积（m2）；d为电容器两极板之间的距离，等效双电层厚度（m）。

利用公式和得

                        (4)

式中，为电流（A）；是电量微分（C）；是时间微分（s）；为电位的微分（V）。

采用恒流充放电测试方法时，对于超级电容，根据公式(4)可知，如果电容量C为恒定值，那么将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系。也就是说，理想电容器的恒流充放电曲线是一个直线，如图2.3(a)所示。我们可以利用恒流充放电曲线来计算电极活性物质的比容量：

                          (5)

其中为充/放电时间(s)；为充/放电电压升高/降低平均值，可以利用充放电曲线进行积分计算而得到：

                       (6)

在实际求比电容量时，为了方便计算，常采用和时的电压差值，即：

                          (7)

    对于单电极比容量，式(5)中的m为单电极上活性物质的质量。若计算的是电容器的比容量，m则为两个电极上活性物质质量的总和。

    在实际情况中，由于电容器存在一定的内阻，充放电转换的瞬间会有一个电位的突变，如图2 (b)所示。

利用这一突变可计算电极或者电容器的等效串联电阻：

                          (8)

其中R为等效串联电阻（）, 为充放电电流（A），为电位突变的值（V）。

等效串联电阻是影响电容器功率特性最直接的因素之一，也是评价电容器大电流充放电性能的一个直接指标。

（a）理想充放电曲线                    （b）实际充放电曲线

图2 恒流充放电曲线

四、实验（设计）仪器设备和药品清单

仪器设备：电子天平、真空干燥箱、Land电池测试系统、压片机、扣式电池封装机、扣式电池钢壳等

药品：MnO2、KOH、泡沫镍、乙炔黑、粘结剂（HPMC）、隔膜、去离子水等。

五、实验内容与实验步骤

1．超级电容器电极片的制备

（1）    按75:15:10（wt%）称取活性物质MnO2、导电剂乙炔黑和粘结剂HPMC，加入适量去离子水，调成浆状。

（2）    将浆料均匀涂敷于Φ=10mm的泡沫镍上（已称重）。

（3）    真空120°C干燥1h、压片、称重，备用。

制备工艺流程如图1所示。

图3 电化学电容器极片的制备流程

2．扣式超级电容器的组装

（1）    将1中制备好的电极片作为电容器的正负极；

（2）    正负极之间用隔膜隔离；

（3）    电解液为3mol·L-1的KOH；

（4）    在电极片与电容外壳之间垫一层泡沫镍，使得电极片与电容外壳接触良好。

（5）    用封装机把扣式壳封好；

（6）    具体组装方法如图2、图3所示。

3．电化学性能检测

（1）    把组装好的扣式超级电容器连接到Land电池测试仪上；

（2）    测试在室温下进行；

（3）    采用恒电流充放电的方式，设定充放电流均为5mA，充放电截止电压为

   0-0.8V；

（4）    计算电容器的比电容量及内阻。

图2  组装扣式电化学电容器的层次图

图3 组装扣式电化学电容器的实物图

六、注意事项

1．必须严格按照操作规程进行实验；

2．遵守实验室的规章制度，保持实验室及实验台清洁。

七、实验报告要求

1．实验目的；

2．实验内容；

3．实验基本原理；

4．实验设备和材料；

5．实验结果分析；

6．实验中存在的问题和建议。

八、考核型式

书面实验报告及实际操作相结合。

思考题

1．超级电容器与传统电容器的区别；

2．影响超级电容器性能的因素；

3．如何降低超级电容器的内阻。