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一、设计图纸
氧化钙与水的反应是一个强放热反应,为便于实验测定,我决定先制作隔热装置,为反应创造良好的隔热环境。图1为设计的最终实验装置图。
二、制作装置
1.隔热层
隔热层由外壳、反应桶以及两桶间隔热材料组成。
(1)外壳
先将剪好的铁皮折成桶状,用铁丝把铁皮拴牢。焊接外壳底部时,我在顶部放几块杠铃片,使熔化后的焊丝更易附着于接缝处。
(2)反应桶
先计算所需材料的尺寸,再用大钢尺在不锈钢带上划好尺寸,并用美工刀勾勒出轮廓,再沿轮廓外沿平齐地剪下。
由于不锈钢带比铁皮光滑,制作桶底时在上面画圆比较困难,所以我用钉子敲出一个凹陷处,这才将圆心固定。焊丝为“药芯焊丝”,熔化后带有强烈的刺鼻性气味,出于安全考虑,焊接时我戴上了口罩。
焊接完反应桶后,必须对焊接处的气密性进行检查。我通过黑夜透光实验,很快就修补了所有漏缝,顺利通过气密性检测。
(3)连接外壳与反应桶
用裁剪好的隔热材料将反应桶裹紧,小心翼翼地旋进外壳,并用已裁剪的不锈钢圆环将外壳和反应桶密封。
由于存在裁剪误差,双层圆环在内、外焊接时会出现许多凹凸处,导致接口不齐,产生较大的缝隙。又由于焊液都聚集在边沿,只有冷却后迅速加一点焊丝,缝隙两侧才能连通;如果加热时间太长,新加的焊丝又会立即分散。
2.食物桶
食物桶侧面为40.84cm×10cm的矩形,制作外壳和食物桶时桶底比侧壁大,故取42cm×10cm的尺寸划线。食物桶相对较小,不锈钢带不易弯曲,用铁丝固定时,我用燕尾夹将其上下两头夹平、夹稳,这样就能先将接缝焊好。
由于裁剪时材料两端不够整齐,接口处有缝隙,熔化后的焊丝难免从缝隙中滴落至食物桶内壁,可将其收集起来二次利用。为使食物桶能平稳地置于隔热层上加热,我剪下一个外径16cm、内径13cm的圆环,将圆环与食物桶顶焊接。很快,食物桶就基本成型了。
根据设计图,需在食物桶侧壁靠近挡板处裹一层隔热材料,并用铝箔胶带将接口处包裹。对食物桶侧壁进行隔热处理后,尝试将其安装至隔热层之上。侧壁隔热材料能在适当的挤压下与隔热层内壁紧密接触,使反应桶成为一个相对密闭的空间。
3.顶盖
(1)盖面
顶盖底面直径为16cm。测量家中锅盖面的倾角之后,我将盖面与水平面的夹角定为20°,盖面为一个扁平圆锥体的侧面。通过计算可知,所需盖面材料为一个半径约为8.5cm、圆心角约为338°的扇形。
用精密圆规刻划好盖面材料后,将其裁剪下来并弯曲焊接。盖面成型之后对其内部进行加固。为保护使用者不被划伤,用铝箔胶带对盖面边缘进行处理。
(2)固定圆饼
为使盖子固定,盖底加焊一个突出的圆饼,使其刚好能卡在食品盛放口。为增大反应的热效率,需在顶盖内部放置隔热材料,即在圆饼与盖面之间填充硅酸铝针刺毯。
(3)頂盖提手
在焊接提手侧面时,要求一次性焊好。在顶盖上用电钻打一个温度计孔,在外壳上装上紧固带,将硅橡胶密封圈套在食物桶外沿,最后用铝箔胶带把尖锐的地方包起来(铝箔也能反射一部分热辐射)。
三、实验测定
经过多次实验, 我绘制出了食物区的水温与时间的关系曲线,如图5所示。(指导老师:卢履智)