本发明涉及实验教学仪器领域，具体涉及一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置。
背景技术：
莱顿弗罗斯特现象(leidenfrostphenomenon)指液滴在高温表面上发生膜状沸腾，产生一层蒸汽膜将液滴和高温表面隔开，液滴气化变慢的现象。莱顿弗罗斯特现象对气化和传热等过程有显著的影响，在化工领域具有重要的研究价值。研究莱顿弗罗斯特现象需要对微小的液滴进行放大观察和测量，对摄录装置的要求较高。目前研究莱顿弗罗斯特现象缺乏成熟的观察设备，一般需要购买昂贵的微距镜头和高速摄像机搭建测量装置，使得该类实验难以在教学中普遍开展。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置，包括手机、近摄镜、加热器、样品夹具和红外测温探头，所述红外测温探头与所述加热器电路连接。
优选地，所述加热器为金属材质，内部安装电加热线圈或电加热陶瓷。
优选地，所述装置还包括底座、载物台和手机夹具，所述载物台和手机夹具分别安装在底座上。
进一步优选地，所述载物台为耐热材料材质。
进一步优选地，所述载物台为不锈钢或铝。
本发明的另一目的在于提供所述基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置的实验方法：
底部平整的样品放置在加热器上，用样品夹具夹紧，使样品底部和加热器面板紧密接触，样品上表面设有凹坑，样品上方的红外测温探头实时非接触测量样品温度，调节加热器使样品升温，向凹坑中加入液滴，带有近摄镜的手机靠近并使液滴处于视场中心，记录汽化过程。
进一步优选地，所述样品为金属、合金或陶瓷等。
进一步优选地，所述凹坑直径5mm、深1mm。
本发明的有益效果为：
(1)本装置使用手机录像功能观察和测量莱顿弗罗斯特现象，无须使用微距镜头和高速摄像机等贵重设备，大大节约了实验成本。同时能够以超过肉眼的分辨率观察到实验细节，可以反复回放并进行定量分析，有利于学生学习和教师检查实验结果，适合在教学中普及。
(2)使用红外测温探头非接触地测量样品表面温度，避免接触式测量造成样品热传递情况的干扰。
(3)样品表面设置有凹坑，用于限制液滴的位置，避免液滴在沸腾时滚动到其它位置。
(4)本装置结构简单，成本低廉，便于制作，操作简便，便于推广。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本申请所述基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置的结构示意图；
图2是泡核沸腾和膜状沸腾的区别；
图3是水滴在铜片上的莱顿弗罗斯特效应；
图4是水滴在铜片上发生莱顿弗罗斯特效应时水滴体积随时间的变化关系；
图5是醇类和水在铜片上发生莱顿弗罗斯特效应时液滴体积随时间的变化关系。
附图标记：1-底座；2-载物台；3-加热器；4-样品；5-样品夹具；6-红外测温探头；7-液滴；8-近摄镜；9-手机；10-手机夹具。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
具体实施方式
目前智能手机普遍具有较强的摄像功能，具有用于观察和研究莱顿弗罗斯特现象的潜力，本发明提出了基于手机录像功能的莱顿弗罗斯特现象观察装置，结合图1，所述装置包括底座1、载物台2、加热器3、样品4、样品夹具5、红外测温探头6、近摄镜8、手机9和手机夹具10。
其中，载物台2安装在底座1上，载物台2由耐热材料如不锈钢或铝制成，可在x、y、z三轴上活动以调节位置；加热器3表面平整，为金属材质，内部安装电加热线圈或电加热陶瓷，安装在载物台2上；样品4可以是金属、合金、陶瓷等材质，上表面加工出一个直径5mm左右，深度1mm左右的凹坑，底部平整地放置在加热器3上，并用样品夹具5夹紧，使其和加热器面板紧密接触，便于热量传输；样品上方装有红外测温探头6，可实时非接触地测量样品4的温度，避免接触式测量对样品热传递的干扰，红外测温探头6与加热器3的电路连接，可实现实时控温和保持恒温。
使用时，调节加热器3使得样品4处于合适的温度，使用微量进样器向样品4的凹坑中加入3μl左右液体形成一个液滴7，液滴在样品4表面不断气化；样品4表面的凹坑限制了液滴7的位置，使其在沸腾时不至于四处滚动；当样品4表面温度较低时，表面向液滴7传递的热量不足以维持膜状沸腾，样品不沸腾或者剧烈震动进行泡核沸腾；当样品4表面温度较高时，液滴7呈球状，发生稳定的膜状沸腾，气化时间较泡核沸腾时显著延长。
带有近摄镜8的手机9安装在手机夹具10上，手机摄像头距离液滴7约4cm左右，调整载物台2使液滴处于视场中心，录像记录液滴7汽化的全过程；近摄镜8减小了镜头的合成焦距，使得镜头可以在更近的距离对焦到液滴7上，从而获得更高的分辨率，观察到液滴7的更多细节；实验完成后实验录像可以反复回放，有利于学生学习和教师检查实验结果；此外，还可以结合录像中的时间信息，量取不同时刻的水滴直径计算水滴体积，绘制出水滴体积随时间变化的曲线，计算气化的速度，对莱顿弗罗斯特效应进行定量研究。
实施例1
观察泡核沸腾和膜状沸腾的区别
本实施例中，以铜片为样品，液滴为水滴，将铜片分别加热到150℃和210℃，向铜片凹坑中加入3μl纯水，对水气化的过程进行录像观察。如图2所示，当表面温度为150℃时，水珠在铜片上剧烈地泡核沸腾，发出嘶嘶的响声，在6s内即迅速消失，当表面温度为210℃时，水珠发生了稳定的膜状沸腾，其消失时间为39s，气化速度显著低于表面温度为150℃时。
实施例2
观察水滴在铜片上的莱顿弗罗斯特效应
本实施例中，以铜片为样品，液滴为水滴，将铜片加热到240℃，向铜片凹坑中加入3μl纯水，对水气化的过程进行录像观察。如图3所示，由图中可以清晰地观察到水滴基本维持球状，在整个气化过程中逐渐缩小并消失，从加入水滴到水滴气化完毕共28s。通过量取水滴直径计算水滴体积，还可以定量地研究水滴体积随时间变化的规律，结果如图4所示。
实施例3
观察醇类和水在铜片上的莱顿弗罗斯特效应
本实施例中，以铜片为样品，分别研究了甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇与水液滴莱顿弗罗斯特效应的区别。初始温度均设为210℃，如图5所示，甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和水液滴气化完毕的时间分别为19s、9s、13s、10s和40s，其中水的气化时间明显较长，这可能和醇类比热容远小于水有关。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
1.一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置，其特征在于，包括手机、近摄镜、加热器、样品夹具和红外测温探头，所述红外测温探头与所述加热器电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置，其特征在于，所述加热器为金属材质，内部安装电加热线圈或电加热陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置，其特征在于，还包括底座、载物台和手机夹具，所述载物台和手机夹具分别安装在底座上。
4.根据权利要求3所述的一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置，其特征在于，所述载物台为耐热材料材质。
5.根据权利要求4所述的一种基于手机录像的莱顿弗罗斯特效应观察测量装置，其特征在于，所述载物台为不锈钢或铝。
6.一种权利要求1-5任一所述观察测量装置的使用方法，其特征在于，底部平整的样品放置在加热器上，用样品夹具夹紧，使样品底部和加热器面板紧密接触，样品上表面设有凹坑，样品上方的红外测温探头实时非接触测量样品温度，调节加热器使样品升温，向凹坑中加入液滴，带有近摄镜的手机靠近并使液滴处于视场中心，记录汽化过程。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述样品为金属、合金或陶瓷。
8.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述凹坑直径5mm、深1mm。
技术总结