石蜡的简单热学性能测量

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石蜡的简单热学性能测量

原创迟政缑育等物理与工程2024 年01 月31 日 10:00北京

摘要

本文以太阳能相变蓄热领域中具有应用前景的相变材料石蜡作为研究对象，

针对与相变蓄热相关的物理性质，设计了石蜡的密度、体积膨胀率、相变温

度、相变潜热的测定与研究实验。本实验包含了丰富的物理思想，同时也具

有操作简便、设备简单、花费低廉、没有危险性的特点。通过该实验可锻炼

实验动手能力，数据分析能力，以及加深对相关热学原理的理解。适合学生

进行居家实验，是疫情期间可供选择的教学实验。

关键词石蜡；居家实验；热学性能

AbstractIt is undoubtedly a troublesome thing to do a “regular

experiment” in the laboratory. In this paper, the experiments

were designed to measure the density, volume expansion,

phase change temperature and latent heat of phase change of

para%n, a promising phase change material in the &eld of solar

phase change heat storage. The exploration of thermal

properties of para%n contains rich physical ideas, but also has

the characteristics of simple operation, simple equipment, low

cost and almost no risk. It can also exercise students practical

ability and academic thinking ability, and provide a deeper

understanding of relevant thermal principles. So it is very

suitable experiment for students to carry out at home, and is a

good choice for home experiments during the COVID-19 period.

Key wordspara%n; home experiment; thermal properties

受疫情影响，实验课程大多停课或者利用网络进行，但实验效果终究不

如亲手操作好。包含丰富物理思想，能够居家进行的实验对疫情期间锻炼学

生的动手能力与学术思维能力具有重要的意义。[1,2]基于此，在科研与实践课

程中，本组同学集思广益，利用一些易获得的器材设计并实施了本次石蜡热

学性能测定实验。

本文聚焦于石蜡相变储能领域的应用，设计实验对石蜡基础的物理性能

进行研究，包括对石蜡的密度、体积膨胀率、相变温度、相变潜热进行测定，

开发适合居家进行的实验。由于石蜡较易获得，危险性很低，便于操作等特

点符合疫情在家做实验的基本要求，关键就在于用一些简单易行的方法来测

定石蜡的相关物理参数。

本文聚焦于石蜡相变储能领域的应用，设计实验对石蜡基础的物理性能

进行研究，包括对石蜡的密度、体积膨胀率、相变温度、相变潜热进行测定，

开发适合居家进行的实验。由于石蜡较易获得，危险性很低，便于操作等特

点符合疫情在家做实验的基本要求，关键就在于用一些简单易行的方法来测

定石蜡的相关物理参数。

1实验原理

“双碳”目标是我国对全世界做出的一项庄严承诺。由于太阳能具有资源

丰富、清洁、环境友好等优点，太阳能发电成为实现能源体系清洁、低碳化

的技术之一。太阳能发电分为光伏发电和热发电，其中热发电通过聚集太阳

辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电。由于太阳能具

有分散性和间歇性的特点，易受环境的影响，储能系统成为保证长周期连续

太阳能热发电的关键[3]。太阳能的存储属于热能存储的范畴，主要表现形式

有热化学能存储、显热存储和潜热存储，其中潜热存储具有温度变化小、存

储能力强、储能密度高等优点，多利用相变材料的相转变或结构转变来实现，

在太阳能存储领域有较好的发展前景[4]。石蜡类材料作为相变材料中重要的

一类，除了在相变过程中可以反复吸收和释放大量热能外，还具有无污染、

无毒、常见、廉价的优点[5]。

1.1 测量石蜡密度与体积膨胀率

石蜡密度ρ的测试基于公式ρ=m/VS。利用排水法测量固态石蜡体积

VS，石蜡质量m利用电子秤通过差量法称量。

体积膨胀率α可表达为

其中，VS为固体石蜡体积；VL为液状石蜡体积

加热石蜡到融化，直接使用量器可以测得液状石蜡体积。

1.2 测量石蜡相变温度与相变潜热

目前测量相变温度与相变潜热采用的方法主要有差示扫描量热法

（DSC）和参比温度曲线法（T-history）。

差示扫描量热法就是在程序控制温度下,将有相变的样品与在测定温度范

围内不发生相变的参照物进行比较,测量两者的功率差或者温度关系的一种方

法。应用差示扫描量热法可以测量样品在加热或者冷却过程中的各种特征参

数[6]。DSC 法因其具有精度高、测试快速、可重复性高等特点而被广泛使用

[7]。但是仪器要求较高，不适用于居家实验。

参比温度曲线法的原理就是把相变材料和水分别放在相同的试管中,使它

们的温度大于相变材料的相变温度,并将它们暴露在空气中进行冷却,得到降

温曲线[6]。进而得出样品的相关参数。该方法原理简单、不需要复杂设备，

故也适用于居家实验，但是由于实验条件影响，精确度较差且操作较为麻烦。

有条件的同学可以考虑对其进行改进简化以适用于居家实验。

考虑到居家实验条件限制，可以利用冷却曲线法测量石蜡相变温度，在

规定的条件下冷却已熔化的石蜡试样，在石蜡冷却过程中，每15s 记录 1次

温度，当第一次出现 5个连续读数之总差不超过0.1℃时，即冷却曲线上出

现停滞期时，其温度即为石蜡的熔点。以 5个连续读数的平均值作为所测试

样的熔点[8]。即根据曲线上温度台阶读出相变温度。

利用能量守恒原理，根据水的散热、水温和石蜡温度的变化间接得出石

蜡的相变潜热(ΔH)可以表示为

其中，QW为实验过程中水的热量变化，QD为水的散热量，QP为实验过程中

石蜡的热量变化。

2 实验内容

2.1 实验器材

石蜡 100g、100ml 量筒、500ml 烧杯、小试管、保温桶、酒精温度计

两支、针、电子秤。其中，石蜡、烧杯、量筒和试管分别可用蜡烛，锅具和

量器，医用注射器等代替。

2.2 实验操作

2.2.1石蜡密度及体积膨胀率的测定

将石蜡切块，用电子秤称得石蜡块的质量。向烧杯内部加水至水刚好不

溢出，将石蜡块用针压至其完全浸没在烧杯中，取出石蜡块。用量筒逐次向

烧杯中加水至刚好不溢出，记录每次量筒读数累加即得到固态石蜡体积。也

可用量筒收集溢出的水量得出石蜡体积。之后将称取的石蜡擦干放入干燥大

烧杯中加热至熔化，迅速倒入量筒内记录读数得到液态石蜡体积。用石蜡块

的质量和固态/液态石蜡的体积即可计算石蜡的密度及体积膨胀率。

2.2.2石蜡相变温度的测定

先将石蜡放入沸水浴中融化、将温度计插入装有石蜡的试管中，距管底

10mm，将试管置入空气浴中，每隔 10s 读数记录至石蜡完全凝固，得到原

始数据，根据原始数据利用 Origin 绘图得出温度曲线，根据曲线平台得出

石蜡相变温度。

2.2.3石蜡相变潜热的测定

图1为实验装置示意图。先量取一升热水（可调节至 500ml，保证水的

液面高于小试管内石蜡液面即可）倒入保温桶中，插入温度计，待水温冷却

至75℃，每隔一分钟读数记录一次，共记录十个点。再次量取一升热水倒

入保温桶中，插入温度计，待水温降至 75℃，把装有石蜡的试管放入保温

桶，每隔 20 秒分别读取水和石蜡的温度。待固体石蜡完全转化为液体石蜡

时停止实验。

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石蜡的简单热学性能测量原创迟政缑育等物理与工程 2024年01月31日10:00 北京摘要本文以太阳能相变蓄热领域中具有应用前景的相变材料石蜡作为研究对象，针对与相变蓄热相关的物理性质，设计了石蜡的密度、体积膨胀率、相变温度、相变潜热的测定与研究实验。本实验包含了丰富的物理思想，同时也具有操作简便、设备简单、花费低廉、没有危险性的特点。通过该实验可锻炼实验动手能力，数据分析能力，以及加深对相关热学原理的理解。适合学生进行居家实验，是疫情期间可供选择的教学实验。关键词石蜡；居家实验；热学性能 AbstractItisundoubtedlyatroublesomethingtodoa“regu...

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