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㈡ 急~~~我要初中化学的实验题,在线等回复
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化学实验题集锦
高考试题的特点和趋势
根据近年来化学高考试题中有关化学实验内容的题目分析，下列内容是化学实验部分考查的重点：
l．实验基本操作和技能
这类试题的特点通常是给出限定的仪器、药品和一些操作步骤，要求正确完成某项实验操作，既有常见仪器的使用方法，又有基本操作的正误辨别，着重考查考生对中学化学实验基本操作技能掌握的情况，题目的难度不高，但并不容易得满分。如果同学们理解了基本概念、基本操作，并亲自做过实验，回答起来不会很困难。
例1、 某学生利用氯酸钾分解制氧气的反应，测定氧气的摩尔质量。实验步骤如下：
①把适量的氯酸钾粉末和少量二氧化锰粉末混合均匀，放入干燥的试管中，准确称量，质量为a g。
②装好实验装置。
③检查装置气密性。
④加热，开始反应，直到产生一定量的气体。
⑤停止加热(如图1-1，导管出口高于液面)。
⑥测量收集到气体的体积。
⑦准确称量试管和残留物的质量为b g。
⑧测量实验室的温度。
⑨把残留物倒入指定的容器中，洗净仪器，放回原处，把实验桌面收拾干净。
⑩处理实验数据，求出氧气的摩尔质量。
回答下列问题：
(1)如何检查装置的气密性? 。
(2)以下是测量收集到气体体积必须包括的几个步骤；①调整量筒内外液面高度使之相同；②使试管和量筒内的气体都冷却至室温；③读取量筒内气体的体积。这三步操作的正确顺序是： (请填写步骤代号)。
(3)测量收集到气体体积时，如何使量筒内外液面的高度相同? 。
(4)如果实验中得到的氧气体积是c L(25℃、1.01×105Pa)，水蒸气的影响忽略不计，氧气的摩尔质量的计算式为(含a、b、c，不必化简)：M(O2)= 。
答案 (1)将导管的出口浸入水槽的水中，手握住试管，有气泡从导管口逸出，放开手后，有少量水进入导管，表明装置不漏气。
(2) ②①③
(3) 慢慢将量筒下移
(4)
例2、（1）无水乙酸又称冰醋酸（熔点16.6℃）。在室温较低时，无水乙酸就会凝结成像冰一样的晶体。请简单说明在实验中若遇到这种情况时，你将如何从试剂瓶中取出无水乙酸。答：
（2）要配制浓度约为2mol•L－1 NaOH溶液100mL，下面的操作正确的是 （填代号）。
A 称取8g NaOH固体，放入250mL烧杯中，用100mL量筒量取100mL蒸馏水，加入烧杯中，同时不断搅拌至固体溶解
B 称取8g NaOH固体，放入100mL量筒中，边搅拌，边慢慢加入蒸馏水，待固体完全溶解后用蒸馏水稀释至100mL
C 称取8g NaOH固体，放入100mL容量瓶中，加入适量蒸馏水，振荡容量瓶使固体溶解，再加入水到刻度，盖好瓶塞，反复摇匀
D 用100mL量筒量取40mL 5mol•L－1NaOH溶液，倒入250mL烧杯中，再用同一量筒取60mL蒸馏水，不断搅拌下，慢慢倒入烧杯中
解答：命题者用无水乙酸的低温时会冷凝成固体为背景考查基本操作——药品的取用。在低温情况下，若要取用呈固态的无水乙酸，既不可用玻璃棒，也不可用药匙撬，必须用适当加热的方法使其熔化后再倾倒出试剂瓶。至于如何温热，只要避免明火直接去加热试剂瓶，用水浴，砂浴，热毛巾捂等方法均可，本题答案不是唯一，具有开放性，不难看出命题的设计不落俗套，在考查实验能力的同时，还考查考生发散思维的能力。
(2)小题，考查配制一定物质的量浓度溶液的操作。考题要求配制约为2mol•L-1的NaOH溶液，考生在排除了在量筒中或在容量瓶里直接溶解固体NaOH的错误做法后，可迅速选出A、D为正确答案。
2．物质的检验、鉴别和推断
物质的检验通常有鉴定、鉴别和推断三类，它们的共同点是：依据物质的特殊性质和特征反应，选择适当的试剂和方法，准确观察反应中的明显现象，如颜色的变化、沉淀的生成和溶解、气体的产生和气味、火焰的颜色等，进行判断、推理。
鉴定通常是指对于某一种物质的定性检验，根据物质的化学特性，分别检出阳离子、阴离子，鉴别通常是指对分别存放的两种或两种以上的物质进行定性辨认，可根据一种物质的特性区别于另一种，也可根据几种物质的颜色、气味、溶解性、溶解时的热效应等一般性质的不同加以区别。
推断是通过已知实验事实，根据性质分析推求出被检验物质的组成和名称。我们要综合运用化学知识对常见物质进行鉴别和推断。
例3、某待测液中可能含有Mg2+、Al3+、Fe2+、Br-、SO42-、SO32-中的数种，进行下列实验：
(1)待测液中通H2S无明显现象；待测液中通过量Cl2后加BaCl2溶液，生成沉淀A和溶液a
(2)溶液a中加汽油振荡，液体分两层，两层液体中加入KI淀粉溶液都有蓝色出现
(3)溶液a中加过量NaOH溶液，生成沉淀B，过滤后得滤液b，向b中加适量盐酸生成沉淀C，C又溶于盐酸。试确定：待测液中一定含 ，一定不含 ，不能确定的有 。
分析与解答
本题涉及的基本反应有：有关离子与Cl2、BaCl2、H2S、KI淀粉溶液、NaOH溶液、盐酸作用，需利用复分解反应和氧化-还原反应规律进行分析。解题时，应从具有明显反应特征的地方入手(体现思维的敏捷性)，然后再依次选择易于判断的条件逐步深入。首先，由滤液b与适量盐酸反应生成沉淀C、C又溶于盐酸可确定，b中一定含AlO2-，则原溶液中含Al3+，再推出与Al3+不能共存的SO32-不存在。第二，由待测液与BaCl2反应生成白色沉淀A可确定待测液中含SO42-。第三，由滤液a加汽油分层后，上、下层溶液均能氧化I-，推出上层(有机层)可能含Cl2(反应剩余)或Br2、下层含Fe3+由此确定原溶液一定含Fe2+，可能含Br-。第四，由滤液a与过量NaOH溶液反应生成沉淀B，可知B中一定含Fe(OH)3，而Mg(OH)2则不能确定。最后，看H2S起的作用，从酸跟盐的反应或氧化还原反应规律分析，它不与任何离子反应，条件等于虚设。本题的答案是：一定含Al3+、Fe2+、SO42-，一定不含SO32-，不能确定的是Mg2+、Br-。
本题采取了逆向、正向思维相结合的思路，依据了化学反应的基础知识，进行了有条理的层层剥离，最后确定了答案。
思维的严密性体现在思维具有科学性、精确性和逻辑性等方面。思维的科学性、精确性取决于对化学基础知识和基本规律掌握的准确程度，思维的逻辑性则是在具备了科学性、准确性的基础上加以分析推理。因此要求考生必须首先落实“双基”，然后在解决实际问题时，审视题目中的信息，采用正向思维、逆向思维、混合思维等方法，加以吸收、淘汰、转换和重组，使问题得到解决。
3．正确运用实验原理和正确认识实验装置
这类试题通常是给出限定的实验装置、反应条件、实验现象和有关数据，要求考生根据实验原理及试题中所给予的信息，结合元素化合物知识，选用仪器药品，正确认识、选择装置，说明装置中某些仪器的作用，描述实验现象，写有关化方程式，进行数据分析．指出实验中必须注意的某些问题等等，主要考查考生的观察能力与分析综合及评价的能力。这类题目具有一定的综合性，具有较大的区分度。
此类试题主要考查考生的观察能力、思维能力、判断能力与理论联系实际的能力。其中的基本要求是：
（1）理解仪器的使用，包括仪器的常规使用方法和特殊使用方法。要解决综合实验，组装整套实验装置，我们必须先知道每一种仪器有什么作用。
如量筒：①可以量液体体积，②可以量气体体积（如图1、2）。
如试管：①可以做反应容器，②可以收集少量气体，③可以装液体，④可以装固体。装固体时可以将固体装在试管底部，放在试管内的隔板上，还可以暂时放在试管壁上，等接好装置后再将试管直立使固体与试管底的液体接触发生反应，以免损失气体。
又如广口瓶：①可以收集气体（如图3），可由a管进气收集比空气重的气体，由b管进气收集比空气轻的气体。②可以做洗气装置（如图4）。③可以做排水装置（如上图1）。④可以做缓冲瓶（如图5）。⑤可以做安全瓶（如图6）等。
再如干燥管，连接在装置的中间时可用来吸收反应产生的某些气体，连接在装置的末端时，可用来吸收空气中的CO2和水蒸气，防止收空气中的CO2和水蒸气侵入反应体系造成误差，也可以代替尾气吸收装置中的倒扣漏斗以防止倒吸。
（图1） （图2）
（2）理解每一个实验的装置安装原理、反应原理、现象及描述。如喷泉实验，我们引导学生得出下列结论：第一，喷泉实验的原理最关键之处在于烧瓶内的气体在挤进烧瓶中的液体中能大量消耗，造成烧瓶内气体的压强大量减小，则液体会喷入烧瓶内形成喷泉；第二，瓶内气体的大量消耗有不同途径：气体极易溶解于挤入烧瓶内的水中和气体与挤入瓶内的液体发生化学反应。又如：尾气吸收中的防倒吸装置，学生通过对防倒吸原理的真正理解，画出了其它的一些防止倒吸的装置（如图7）：
再如冷凝装置，我们引导学生画出了空气冷凝装置（在实验室制溴苯和硝基苯时用到）、流水冷凝装置（在蒸馏实验中用到）、静水冷凝装置（在石蜡裂化实验中用到），同时学生也真正理解了这些冷凝装置的用处。
例4、根据下图及描述，回答下列问题：
A B
⑴关闭图A装置中的止水夹a后，从长颈漏斗向试管里注入一定量的水，静置如图所示。试判断：A装置是否漏气?（填“漏气”、“不漏气”或“无法确定”） 。判断理由： 。
⑵关闭图B装置中的止水夹a后，开启活塞b，水不断往下滴，直到全部流入烧瓶。试判断：B装置是否漏气?（填“漏气”、“不漏气”或“无法确定”） 。判断理由： 。
⑴不漏气。（1分）由于不漏气，加水后试管内气体体积减小，导致压强增大，长颈漏斗内的水面高出试管内的水面。（2分） ⑵无法确定。（1分）由于分液漏斗和烧瓶间有橡皮管相连，使分液漏斗中液面上方和烧瓶中液面上方的压强相同，无论装置是否漏气，都不影响分液漏斗中的液体滴入烧瓶。（2分）
4．进行实验设计或方案评价
（1）这类试题的主要两类题型
化学实验考查主要涉及的知识内容包括：元素及其化合物知识的有关知识、化学基本原理的有关知识；包括实验基本原理和基本技能，并将化学实验基本操作、物质检验的定性和定量实验融为一体。但就综合考试而言，除了对基本实验操作要求之外，重点内容主要包括实验设计和实验评价两个层面。
实验设计：
（1）实验设计的基本要求：
实验设计题属于一种能力考查题，是指为达到一定的实验目的，利用现有的实验条件，为实验制定出合理的流程或方案。
（2）实验设计考查的主要题型：
实验程序设计、确认某混合物成分实验设计、验证某一化学原理的设计，测定物质的纯度的设计和定性、定量实验设计等。
实验评价：
（1）实验评价的基本要求：
实验评价是对已有实验方案进行科学论证和评判，在必要的情况下，提出改进意见。
（2）实验评价考查的主要题型：
实验设计方案的优劣评价、仪器和试剂的选择及仪器的组装、物质的制备与提纯、实验现象的描述、
实验误差的分析和实验数据的处理等。
（2）化学综合实验题型的具体分析
作为一类题型，其体现在学科内，通常需要将反应原理、仪器安装、现象观察、数据处理等结合在一起，主要考查分析综合运用能力和实验的评价分析能力，以及对新情景中的信息分析和处理能力。
其中，化学实验设计常常是在限定实验仪器和药品的条件下，要求完成一个或几个实验片段，或在已完成了部分实验的基础上，补足未尽步骤。而实验评价型问题，主要是已对实验的部分片段进行评价。
例5、某学生根据高中课本中硝酸钾受热分解的实验操作来判断硝酸铅的分解产物之一是氧气；将试管中的硝酸铅加热到熔融，把带有火星的细木条伸进试管口，检验放出的气体，当发现木条复燃时该学生即断言，硝酸铅受热分解有氧气放出。请你对上述实验及结论的合理性作出评价。如有必要，可提出改进的实验方案。
解题思路：有关反应的方程式为：
①2KNO3 2KNO2+O2↑ ② 2Pb(NO3)2 2PbO+4NO2↑+O2↑
比较反应式①和②，其不同之处是②中除生成O2外，还生成了NO2。这一不同又产生了两个结果，一方面NO2稀释了O2，O2仅占混合气体的20%，而这与空气中O2的含量相近，因而此处的O2不可能使带火星的木条复燃；另一方面NO2本身也能使带火星的木条复燃。因为NO2受热也能放出O2；2NO2=2NO+O2。
解答：上述实验及结论在科学上是错误的。由于NO2干扰了O2的检验，因此应选用NaOH溶液除掉NO2后再检验。
例6、 如图l为氢气还原氧化铜的微型快速实验装置。实验前先将铜丝1处理成下端弯曲的一小圆环，并用铁锤击成带小孔的小匙；将铜丝2一端弯曲成螺旋状（见图1）．试回答下列问题：
（1）在试管的支管处I中先加入的试剂是___________
（2）操作铜丝2的方法是___________________
（3）实验现象：I中_______________；II中____________________
（4）这样处理铜丝1的优点是___________________； (图1)
这样处理铜丝2的目的是____________________.
（5）某同学将图1中的II处改成图2所示，容器内加某些液体X，稍作加热，铜丝的操作方法同铜丝2，若发现铜丝由黑变红，则液体可能是___________________________ (图2)
答案:(1)盐酸或稀硫酸;(2)在I中产生一会氢气之后,将红热的铜丝2迅速插入II中
(3)I:锌粒不断溶解,产生气泡 II:红热的铜丝由黑变红
(4)形成铜锌原电池,加快产生氢气的速率 实验完成后可将铜丝1提起,使反应立即停止(类似启普发生器原理) 铜丝2弯成螺旋状是为了提高铜丝的局部温度,以利于铜丝在氢气中持续快速被还原
(5)乙醇
例7、对实验装置的评价型试题是指对一个已知的反应可设计出不同的实验装置，通过分析题给信息可找到各装置的优点和不足之处，从而筛选出切实可行、科学合理的装置。
实验室里可用浓盐酸、MnO2共热制Cl2，并用Cl2和Ca（OH）2反应制取少量的漂白粉。现已知主反应为：
2Cl2＋ 2Ca（OH）2＝Ca（ClO）2＋ CaCl2＋2H2 O＋Q
温度高时则发生副反应
6Cl2＋ 6Ca（OH）2＝Ca（ClO3）2＋ 5CaCl2＋6H2 O
有三位同学分别设计了甲、乙、丙三套实验装置，如图所示：
（1）有下列几项可供选择的优、缺点：a．不容易控制反应速度；b．容易控制反应速度；有副反应发生；d。可防止副反应发生；e。污染环境；f．可防止污染环境。清从以上几个方面对甲、乙、丙三套装置的优缺点作出评析，并将选项填在下表的空格里。
（2）图中甲由A、B两部分组成；乙由C、D、E三部分组成；丙由F、G组成。请从A～G中选取最合理的部分组装成一套较完善的实验装置，其连接顺序是。
解析：本题主要考查学生的实验设计和评价能力，在连接仪器时要记住常见的顺序是
“气体产生→除杂→干燥→主体实验→尾气处理”。再由题给信息得知：①要控制Cl2和Ca（OH）2反应的温度；②要处理尾气；③要控制O2的制备速度。
答案：（1）甲：d； a e 乙：f； a c 丙：b；ce （2）F→B→E
例8、(2000年全国高考)实验室可用氯气与金属铁反应制备无水三氯化铁，该化合物呈棕红色、易潮解，100℃左右时升华。下图是两个学生设计的实验装置，左边的反应装置相同，而右边的产品收集装置则不同，分别如(Ⅰ)和(Ⅱ)所示。
试回答:
(l)B中反应的化学方程式为 。
(2)D中的反应开始前，需排除装置中的空气，应采取的方法是： 。
(3)D中反应的化学方程式为 。
(4)装置(Ⅰ)的主要缺点是： 。
(5)装置（Ⅱ）的主要缺点是： 。
如果选用此装置来完成实验，则必须采取的改进措施是： 。
5.定量实验与数据分析
定量实验是中学化学实验的重要组成部分，在高考题中常常从三个角度对其进行考查：
一是对大纲规定的几个定量实验操作规范进行考查；
二是考查定量实验原理的应用能力；
三是考查定量实验的数据处理能力。
例9、现有下列试剂：2mol/L盐酸溶液、1mol/L硫酸溶液、0.1mol/L硝酸银溶液，请设计一个实验，测定BaCl2晶体中钡的含量。
分析：测定BaCl2晶体中钡的含量，可用重量法——把Ba2+转化为BaSO4沉淀，通过对BaSO4沉淀质量的测定，进而推测BaCl2的含量。若用把Cl-转化为AgCl的办法，则误差较大，因为AgCl易分解。
在沉淀质量测定过程中，首先必须对容器的质量有一个精确的数值，其次，还必须依据所给的试剂种类及度量仪器的适用要求确定考虑试剂用量。
答案：（1）瓷坩埚的准备：
洗净瓷坩埚、晾干，然后在高温（约800℃～850℃）下灼烧，取出稍冷片刻，移入干燥器中冷却至室温后称重；再次灼烧，取出稍冷，转入干燥器中冷至室温后，再称重，反复操作直至恒重（记作m1）。
（2）分析实验：
准确称取0.4～0.6gBaCl2晶体试样两份（记作m2），分别置于250毫升烧杯中，加水约70mL，2mol/L盐酸2～3mL。缓慢加入3～4mL1mol/L硫酸溶液，并用玻璃棒不断搅拌。
待沉淀后，在上层清液中加入1～2滴1mol/L硫酸溶液，仔细观察沉淀是否完全。如已沉淀完全，用慢速定量滤纸过滤，并用稀释后的硫酸溶液（约0.lmol/L）洗涤沉淀3～4次（每次用约10毫升），洗涤沉淀至无氯离子为止(用AgNO3溶液检查)。
将沉淀和滤纸置于己恒重的瓷坩埚中，灰化后，在800℃～850℃灼烧。取出稍冷，转入干燥器中冷至室温后，再称重。反复操作直至恒重（记为m3）。
（3） 实验数据处理：
Ba%= ×100%
㈢ 传热实验中冷流体的比热容如何得到
实验四传热实验一、实验目的1.通过对空气一水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数勺的测左方法，加深对苴 概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确左关联式严丹如中常数A、川的值。2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气一水蒸气强化套管换热器的实验研究，测左其准数关联式 NzBR严中常数B、加的值和强化比Ni叫、了解强化传热的基本理论和基本方式。二.实验内容与要求
实验4-1 实验4-2
实 脸 内 容 与 要 求 1测泄5~6个不同流速下 简单套管换热器的对流传 热系数血。2对勺的实验数据进行 线性回归，求关联式 NxAR^P"中常数 A. m 的值。 1测左5~6个不同流速下 强化套管换热器的对流传 热系数％。2对4的实验数据进行 线性回归，求关联式 Nu=BRem中常数B、加的值。3同一流量下，按实验一 所得准数关联式求得Me, 计算传热强化比Nu/Nu0o
三、实验原理实验4-1普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定1.对流传热系数％的测定对流传热系数勺可以根据牛顿冷却疋律，用实验来测泄。因为所以传热管内的对流 传热系数勺a热冷流体间的总传热系数K = Q /(△. xsj (W/m2 • °C )(4-1)式中：勺一管内流体对流传热系数，W/(m2-°C)：©—管内传热速率，W：SL管内换热面积，n*：△g—对数平均温差，°C。对数平均温差由下式确立:
式中：切，G—冷流体的入口、出口温度，0
心一壁而平均温度，°C;因为换热器内管为紫铜管，英导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用h来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。管内换热面积：Sj 二码厶 (4-3)式中：山一内管管内径，m；乙一传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：Q 二 (4-4)其中质量流量由下式求得：叱=匕空 (4-5)3600式中：冷流体在套管内的平均体积流M. m5/h：cpi—冷流体的进压比热，kJ / (kg・°C)：PL冷流体的密度，kg/m3o切和。•可根据泄性温度查得，tm = 斗乞为冷流体进岀口平均温度。⑺，址，治 匕可采取2一定的测量手段得到。2.对流传热系数准数关联式的实验确左流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为Nut = ARe," Pi;". (4-6)贝中：眄=叫 込,P「=沁A “ ’ A物性数据入、切、°、闪可根据左性温度乙查得。经过讣算可知，对于管内彼加热的空气，普兰特准数 p八变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：Nui =ARe/MPi;0-4 (4-7)这样通过实验确左不同流呈:下的Re,与Ng ,然后用线性回归方法确定A和加的值。实验4-2、强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设讣的传热面积，以减小换热器的体积和重 量：提高现有换热器的换热能力：使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换 热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装豊是采用在换热器内管 插入螺旋线圈的方法来强化传热的。
螺旋线圈的结构图如图3-1所示，螺旋线圈由 直径3mm以下的铜丝和钢丝按一立节距绕成。将 金属螺旋线圈插入并固左在管内，即可构成一种强 化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的 作用而发生旋转，一而还周期性地受到线圈的螺旋 金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线 圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以 阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈石 距H与管内径〃的比值以及管壁粗糙度（2〃/力） 为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力 系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为Nil = BRe,n的经验公式，英中B和加的值因螺旋 丝尺寸不同而不同。
在本实验中，采用实验3・1中的实验方法确泄不同流量下的R©与眄,用线性回归方法可确立B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：Nu/Nu（）,其中N“是强化管的努塞尔准数，M❻是普通管的努塞尔准数，显然，强化比1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的贞•正效果和经济效益，则必须 考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强 化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验装置1.实验流程图及基本结构参数：
图4-2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1 一普通套管换热器：2—内插有螺旋线圈的强化套管换热器：3—蒸汽发生器：4 一旋涡气泵：5—旁路调节阀：6—孔板流量讣；7、8、9一空气支路控制阀：10、11 一蒸汽支路控制阀：12、13—蒸汽放空口： 14一传热系数分布实验套盒（本实验不使用）：15—紫铜管：16-加水口：17—放水口： 18—液位计：19一热点偶温度测址实验测试点接口： 20—普通管测压口： 21—强化管测压口如图3-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两 端用不锈钢法兰固左。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5RW螺旋形电加热器，用200伏电压 加热（可由固态调压器调节）。气源选择XGB-2型旋涡气泵，使用旁路调卉阀调肖流量。蒸汽空气上升 管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。空气由旋涡气泵吹岀，由旁路调卉阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热 器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自 然喷岀，达到逆流换热的效果。空气经支路控制阀7后，进入蒸汽发生器上升主管路上的热电偶和传热 系数分布实验管，可完成热电偶原理实验。
装豊结构参数表3-1所示。2.实验的测量手段（1）空气流量的测量空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量讣算 式为：
实验内管内径也（mm） 19.25
实验内管外径必（mm） 20.01
实验外管内径D （mm） 50
实验外管外径D, （mm） 52.5
总管长（紫铜内管）L （m） 1.30
测量段长度/ （m） 1」0
加热釜 操作电压 W200 伏
操作电流 W20安
表4-1实验装置结构参数第⑦、⑧套实验装置：匕=23.80式中：孔板流量计两端压差，KPa；R—孔板流量计两端压差，mH/O柱；/。一流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），°C；内一巾时的空气密度，kg/m\由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正:
273 +口273 + r()⑵温度的测呙实验采用铜-康铜热电偶测温，温度与热电势的关系为：
(4-9)
(4-10)
T（°C）二8・ 5009+21. 25678XE（mv）图4・3传热实验中冷流体进岀口温度及壁温的测量线路图五、注意事项1.由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检査热电偶的冷端，是 否全部浸没在冰水混合物中。2・检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范用内*特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。3.必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀（见图4-2所示） 之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢, 防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。4・必须保证空气管线的畅通」即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见 图4-2所示）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
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实验四传热实验
实验四传热实验
一、实验目的
1.通过对空气一水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数勺的测左方法，加深对苴 概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确左关联式严丹如中常数A、川的值。
2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气一水蒸气强化套管换热器的实验研究，测左其准数关联式 NzBR严中常数B、加的值和强化比Ni叫、了解强化传热的基本理论和基本方式。
㈣ 朱家岩隧道涌水物理模拟
4.3.1 物理模拟基本原理
岩溶管道水系统物理模拟是用等效水箱（水能储存单位）与变径管束（水能输送单位）组合的模拟模型来逼近真实的岩溶地下水系统。按水力相似原理，以一定的时空比例来组装模拟模型，通过动态模拟，寻求岩溶管道水系统含水介质体和地下水运动特征，求取水文地质参数，为岩溶地下水系统定量评价和水量预报提供依据。
岩溶管道水系统进行物理模拟要进行一定的概化和时空缩小等多方面的处理。概化与处理必须遵循一定的规律，即满足力学相似条件。力学相似条件是指系统与模型内的水流中同类运动要素（例如某点速度或阻力）之间存在一定的比例关系。力学相似包括几何相似、运动相似、动力相似、边界相似等四个方面。
岩溶地下水系统的物理模拟以力学相似定律为基础，同时结合系统自身的结构与水流运动特征，建立相应的相似准则。
岩溶管道水系统中地下水的运动受控于水力梯度与介质空隙空间体形态及其组合。经分析与总结前人的研究成果表明，在系统中，重力和紊动阻力作用是影响地下水运动状态的关键因素。因此，系统物理模拟需同时建立重力相似准则与紊动阻力相似准则。
据水力学推导，紊动阻力相似要求两个水流沿程阻力系数对应相等。沿程阻力系数仅与管壁粗糙度有关。紊动阻力相似准则是模型中管壁粗糙度与原型中对应点管壁粗糙度之比是模型与原型线性比的1/6次方倍[1]。
4.3.2 岩溶管道水流物理模拟过程
岩溶管道水系统物理模拟，包括了对岩溶储水介质的模拟、对岩溶导水介质的模拟以及对其二者的混合模拟。其中对岩溶导水介质水流的模拟是整个系统模拟的关键，又是一个极其复杂的过程，难度很大，它涉及水能转换、质量守恒及介质对水流的阻力等问题。同时，由于岩溶管道介质的复杂多变性，其模拟技术很值得研究。
在对岩溶管道水流物理模拟中，首先通过对野外资料，特别是水位与水流的关系资料进行分析，然后考虑如何对其进行模拟。在一般情况下，岩溶管道可采用变径管束来对其进行模拟，用阻力元件模拟管道阻力，实现对实际管道的模拟仿真，其模拟过程如图4.4所示[2]。
图4.4 岩溶管道水流物理模拟过程
4.3.2.1 管道流量-水位曲线分析
在整个岩溶管道水系统中，管道断面很不规则，是一个很难测量的量，这给岩溶管道水流流速的研究带来了困难。而水流流量中已经包含了水流断面和流速的信息，它是水流速率与断面面积的乘积。如果已知管道流量和某断面面积，也就等于知道了流速。另外，由于水的不可压缩性，当管道全部充水时，管道内各断面的流量都是相同的。因此，为了简化所研究的问题，在物理模拟时，以水流流量作为基本量。
在岩溶管道系统中，管道的流量与流速一样，它与管道的长度、水力半径、水的密度、水动力黏度系数、管道的粗糙度、水流流态等因素有关。在这众多的影响因素中，大多数因素是难以知道的。因此，在研究岩溶管道的流量与介质的关系时，应先将上述因素用管道的综合流量参数加以表示，然后，有条件时，再逐步深入，研究其他具体的影响因素。
在单一的岩溶管道里，其流量与其驱动水头的关系如下[3]：
qv（t）=α[H（t）-H0]1/n（4.8）
式中：H（t）、H0为某瞬时管道进、出口的水位；ΔH=H（t）—H0为某瞬时管道的驱动水头；qv（t）为某瞬时通过管道的流量；α为管道的综合流量参数；n为流态指数，当管道流态为紊流时n=1.75～2，当管道流态是层流时n=1。
ΔH-Q的特征曲线见图4.5。从图中知道，当流量参数α较大时，其流量较大，曲线远离ΔH轴，说明管道的阻力小、导水能力强；反之当流量参数α较小时，其流量较小，曲线靠近ΔH轴，说明其管道阻力大、导水能力弱。依据单一管道流量特征曲线，很容易采用单一管道来模拟单一的岩溶管道。在模拟时，可采用模拟管道中的阻力元件来模拟实际管道阻力。在多数情况下，其模拟结果能达到异构同功的效果。
图4.5 单一岩溶管道流量与驱动水头关系曲线
4.3.2.2 岩溶管道的等效箱-管组合模拟
在自然界里，岩溶管道往往都不是以孤立、单一的形式存在，而是以组合交叉或网络等形式存在，这时就要用管道组合来模拟，或者说等效箱-管组合模拟。这是因为岩溶管道还是一个灰箱或黑箱系统，因而只能在过水能力和过水方式上进行等效模拟。模拟时，根据实际资料所提供的信息，包括管道的空间状态、流量动态、通道条数及过水能力等作为模拟初值。在对岩溶管道水流模拟中，以机控水箱来模拟储水空间，以玻璃管来模拟管道。而模拟结果则是要确定管道系统是单一（主）通道或是多通道（包括管束或有差异的导水介质）以及管道（或导水介质）间的组合方式，求出综合流量参数。因此，首先要对管道的qv=f（ΔH）特征曲线作分析，绘出其流量与驱动水头的特征曲线，如果该管道是单一管道，则其流量与驱动水头的关系满足于式（4.8）；反之则实测曲线与模拟曲线相差甚大，此时要考虑用等效箱-管来组合模拟。经过反复切换管道组合模式，最终确定一种模拟结果较理想的组合模式。
4.3.3 物理模拟的应用
郭纯青等[1]对广西北山铅锌黄铁矿区岩溶管道水系统进行了物理模拟，选取1983年6月百年一遇的双洪峰（21日、22日），以及S2、S18、903、10A2四个观测孔水位资料及1号、2号、3号、4号泉溢洪洞四个观测资料，将北山矿区岩溶管道水系统概化为4个等效水箱，经多次反复模拟实验，实现了对8个主要水文点水位及流量的最佳拟合，拟合精度较高。对桂林岩溶水文地质试验场S31泉子系统进行了物理模拟，将该子系统概化为3个等效水箱，选取1989年4月13日8时至4月15日12时共60 h为模拟时段，模拟了降雨退水段，求取了管道水动力参数。
4.3.4 物理模拟装置
采用的模拟装置是由郭纯青教授设计的“岩溶管道水系统模拟装置”。该装置是目前国内外唯一一个岩溶管道水系统物理模拟装置。本套模拟装置依托传统的物理模拟方法，采取微电子技术与计算结合的方式，建立岩溶管道水系统物理模拟模型，是一套全自动水流控制系统。主要由液位检测传感器、液位压力传感器、流量传感器、A/D变换器、CPU监控中心和流量控制器等器件组成。实验装置简图如图4.6。岩溶管道水系统物理模拟装置主要包括两大部分——等效实体模型部分和数据采集监控部分。
图4.6 “岩溶管道水系统模拟装置”简图
4.3.4.1 等效实体模型
根据物理模拟建模要求，概化岩溶管道水系统多重含水介质体及水流特征为水能储存单元和输送单元的组合，采用等效水箱与变径管束的模拟装置建立等效实体模型，实现对岩溶管道水系统的水动力特征及系统转换功能的模拟目的。
系统被概化为水能贮存单元的亚系统，必须取得该单元出口端附近上游水位及流量的动态信息：
Q（t）=fi[h（T）]（4.9）
岩溶地区地下水与环境的特殊性研究
h（t）=fz（t）（4.11）
单元的水位与流量必须是同步的，流量可能是多端同时输出，包括季节性的分级溢洪泉。一般情况下，水能贮存和输送两单元总是配套组合模拟，等效水箱的容积也是将两者统一概化在内。对于水箱贮存量的计算，有如下两种方法。
用圈定岩溶体积几何空间的方式计算：
岩溶地区地下水与环境的特殊性研究
式中：V为岩溶管道水某子系统在h1与h2两标高范围内的贮存总体积；A（h）为不同标高等效水箱面积；h为水箱出口端有代表性的水位。
由于A（h）面积函数在实际中是不易求得，它不仅包括含水体所圈定的范围，也包括岩溶率在内的空间变量函数。
采用系统动态信息反求贮存体积：
岩溶地区地下水与环境的特殊性研究
当子系统的水位和流量动态处于无入渗状态单调下降情况下，可以选取适合的时段将流量动态做分段（时段和相应的标高段）积分求和，可求得总体积和分段体积：
岩溶地区地下水与环境的特殊性研究
式中：ti、ti+1为针对水位变化比较一致的相邻时段。
岩溶地区地下水与环境的特殊性研究
式中： 、 为不同水位时水箱出口的流量； 、 为不同水位时的相应时间间隔。
式（4.8）是式（4.7）的离散式。等效水箱的建立，由于经过上述动态分析，已经可以求出分段的ΔVi的体积，由此可以通过式（4.5）的变换求得等效水箱分段的底面积：
Ai（h）=ΔVi/（hi-hi+1）（4.16）
面积函数Ai（h）的下标i与标高段hi是相应的。据此，等效水箱的空间容积就被完全确定，可以按照既定的模拟比值缩制模型。
4.3.4.2 数据采集监控系统
（1）数据采集子系统
数据采集子系统主要用于对岩溶管道水系统物理模拟模型运转过程的检测及运行情况的显示；同时对采集到的输入和输出数据，与野外实测数据对比并作预测分析。
测试元件主要通过微压差传感器对水箱测压管即文杜里流量计以及孔口流量计等进行水头压力（或压差）测量；以求得等效水箱水位与管间流量的测试，数据采集主要通过A/D板将传感器采集到的物理信号转换为数字信号与计算机共同完成（图4.7）。
图4.7 数据采集子系统示意
通过多通道的信号输入，计算机可以按照规定的间隔时间，对全部被测试点的压力（或压差）数据做瞬时同步采集。
（2）数据监控子系统
物理模拟装置中的数据监控子系统，包括带控制程序的微机，以及执行微机指令的可控水箱的进水装置。监控子系统的功能是通过对各测试元件所采集模拟模型的信息，反馈控制水箱进水量，实现对岩溶管道子系统的水能储存和释放的模拟。
可控水箱进水装置由电磁阀构成，根据微机指令的数字信号通过D/A板转换为电讯号，经放大控制电磁阀开关。
物理模拟过程的微机控制程序包括以下两个方面：
1）识别模拟阶段：根据模拟模型中对储能单元在空间变化（水位的函数）规律，编制出不同标高段相应的进水量的控制程序。
2）预报模拟阶段：控制程序编制根据预报期内的降水有效入渗，转化为水能储存单元在规定的模拟时段接受随机滞后输入量的控制。
通过微机将数据采集与监控两子系统耦合构成模拟模型的重要组成部分。
4.3.5 朱家岩隧道涌水物理模拟
4.3.5.1 研究区隧道涌水物理模型概化
根据水动力相似原理，按朱家岩隧道实际水文地质条件，选取线性相似比例系数1/103，从而面积相似系数为1/106，体积相似系数为1/109，时间相似系数为1/10，流速相似系数为1/10，流量相似系数为1/107。
研究区补给面积取8×10-2km2，范围为硐身及其两侧附近地带，其中包括可能与隧道沟通的汇水洼地、落水洞等地带，由1/10000岩溶水文地质图上量取。根据资料综合分析，隧道硐身均在饱气带，枯水期为表层岩溶带、垂直下渗带和季节交替带，厚度为230～355m，丰水期为表层岩溶带和垂直下渗带，厚度为210～305m。因此，水箱（储水介质）概化为面积为800cm2，枯水期高度为35cm，丰水期高度为30cm的垂向变体积水箱。由于研究区以管道流为主，对各子系统之间以裂隙方式的面状水量变换，可以等效到管道连接部分合并处理。对岩溶管道（包括箱间连接管道及排泄通道）的模拟，先根据地质、水文地质及岩溶发育条件的分析给出初值（包括管道空间状态、流量分配及阻力状况等），然后根据动态模拟结果反复调整。初值的给出，遵循下列约束条件：第一，管道条数，根据流量衰减分析的结果，初步确定管道条数为3条，如果模拟结果跟实际相差很大，则重新选择管道条数。第二，管道位置高度。第三，管道流量约束，水箱补给管道水量应近似于降水补给研究区的水量，管道总排泄量应近似于隧道涌水量。经多次反复模拟试验，实现对朱家岩隧道涌水过程的最佳模拟，拟合程度最好的即为该区管道组合结构。
研究区补给面积为8×10-2km2，远小于红岩泉地下河系统的汇水面积（10.5km2），而实测隧道最大涌水量为3400m3/d，即39.4L/s，也远小于红岩泉洪水期的流量（1000～2000L/s），隧道涌水虽然对红岩泉地下河系统造成了一定的影响，但是影响不大，又由于缺乏长观资料，因此不考虑红岩泉流量，只是对隧道涌水系统进行了研究。
4.3.5.2 朱家岩隧道岩溶管道涌水的物理模型研究
根据8月15日的降水量、涌水量资料（因4月30日和6月15日的涌水衰减量不大，有些管道可能没有参与衰减过程，故采用8月15日的数据进行物理模拟），建立朱家岩隧道包气带岩溶管道水系统物理模拟模型，用等效箱-管模型来组合模拟，经过反复使用1条、2条、3条切换管道的组合模拟，最终确定采用3 条切换管道，模拟结果才较为理想，模型见图4.8。这一结果跟流量衰减分析的结果“该区管道发育程度有三个级别”相一致，验证了衰减分析的可靠性。
图4.8 朱家岩隧道物理模型装置示意
应用该模型来模拟朱家岩隧道8月15日涌水的时间-流量过程线如图4.9，图4.10所示。8月16日至9月4日的结果见表4.4。
图4.9 时间—流量曲线
图4.10 时间—流量曲线
表4.4 模拟最接近实测数据的一次实验数据
表中8月19日和8月20日1号、2号流量的大小关系与别的时段的大小关系不一致，可能是由于模型概化时水箱边界条件的选取不是很精确而造成的，在以后的工作中会予以重视。
据文字记载，湖北宜昌市最大日降水量为385.5mm（1935年7月5日），将此降水量值输入该模型，经过反复实验，求得最大涌水量为9800m3/d。
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