第3章Origin软件基本操作

材料科学与工程、高分子材料科学与工程专业的学生，在撰写学术论文或者毕业论文的时候，经常需要将所采集到的实验数据绘制为二维的柱状图、曲线图、折线图（带或者不带误差限）、离散点图或者三维图形等。尽管市面上可接触到的专业绘图软件有很多种类，比如Excel、Origin、Matlab等，但是相比较而言，应用最广泛、最容易上手的还是Origin软件。因此，本课程的实验数据将要求使用Origin软件进行绘制。为了便于阐述，本章将以Origin pro 8软件为例，针对本课程的实际需要分别介绍Origin软件的使用方法。Origin软件其他的进阶使用方法可以根据学生的具体需要参考有关的专业指导书或者Origin软件自带的说明书。
3.1Origin pro 8软件界面介绍
打开Origin pro 8软件之后，映入眼帘的是一个非常简洁的主界面。如图31所示，主界面主要分为菜单区、工具区、工作簿窗口、绘图区、管理区和状态区6个区域。


图31Origin pro 8软件的主界面



3.2数据的录入
数据的录入主要有两种方式。第一种方式，在工作簿（Workbooks）窗口中直接手动录入（如图31所示）相关的数据，并可定义X轴和Y轴，标注数据名称（Long Name）、单位（Units）和注释（Comments）。第二种方式，可以直接调用一个或者多个ASCII文件（txt）。具体操作为： 选择菜单栏的 File，下拉菜单选择Import，最后选择其子菜单Single ASCII即可（图32）。如遇需要同时调入多个文件的情况，可选择Multiple ASCII。但是需要注意的是，在导入文件的时候，应该在新建的工作表中导入，否则已有数据会被覆盖，同时，应注意ASCII文件的数据格式。通常情况下，ASCII文件中数据的第一列对应Origin工作表的第一列，以此类推。如果出现数据导入错误的情况，则需要调整ASCII文件的数据格式。






图32外部ASCII文件的调入


3.3图的绘制
待录入数据\\调入文件后，就可以根据具体的要求选择绘制曲线、折线、点线图、柱状图或者离散图等。图33所示为绘制点线图的示例。具体操作为： 选择菜单栏的Plot，下拉菜单选中Line+Symbol，即可绘制出所选数据所对应的点线图。


图33绘制点线图


需要绘制曲线时，选择菜单栏的Plot，下拉菜单选择Line即可； 绘制柱状图，选择菜单栏的Plot，下拉菜单选择Columns/Bars即可； 绘制离散点图，选择菜单栏的Plot，下拉菜单选择Symbol/Scatter即可； 除此之外，亦可采用绘图区的快捷方式来进行相关图形的绘制。
需要说明的是，采用Origin不仅可以绘制单一的曲线，还能将多条曲线同时绘制于同一幅图中，如图34所示。


图34锂空气电池空气电极的XRD图


3.4图的参数设定和修改
如图35所示，选择菜单Plot，下拉菜单选择Line+Symbol或者直接使用绘图区的快捷方式，即可把所选择的数据绘制点线图。当工作簿菜单的名称（Long Name）和单位（Units）为空白时，图的横纵坐标则默认为A、B。否则显示用户的定义值。此外，点和线均默认为黑色，X轴、Y轴的坐标轴线宽也显示为默认值，其数轴范围则根据数据本身自动调整。显然，绘制而成的图不够精细，缺乏观赏性。因此，通常需要根据实际需求对所绘图形进行一定程度的修改或者润色。


图35调用Plot>Line+Symbol命令后绘制而成的点线图



1. 自定义X轴和Y轴的物理意义，修改其坐标值显示范围和线宽
如图36（a）所示，重新定义了X轴或者明确了其所要表达的物理意义（包括单位）； Y轴的修改以此类推。具体操作为： 将鼠标移至A，然后双击即可直接进行文字、字母、数字等字符的输入。如此一来，便重新定义了X轴的物理意义、添加该物理量的单位。此外，物理意义和单位的字体、字号、上下标也可以根据需要进行修改。


图36图的绘制

（a） 定义X、Y轴，修改字体、字号和上下标；  （b） 修改坐标轴的范围、线宽和字号；  

（c） 修改曲线的线宽、颜色以及类型；  （d） 修改曲线说明



2. 坐标轴取值范围，数值的字体、字号、显示方式和线宽的修改
如图36（b）所示，调整了X、Y坐标轴的取值范围，调整了坐标轴数值的字体和字号，并调节了坐标轴的线宽。具体操作为： 将鼠标移至坐标轴，双击便弹出了如图所示的多页对话框。
Scale： 可以根据需要调整初始（From）、终止值（To）、步长（Increment）、显示形式（Type）等。需要说明的是，改变Type的选项可方便地实现线性坐标系（Linear）和对数坐标系（Log10）等转换。
Title & Format： 坐标轴的线宽可以通过修改Thickness来实现。
Grid Lines：  除了可以显示主次坐标的显示形式外，封闭的曲线可以通过勾选Opposite来实现。
Tick Labels： 可以调节坐标轴的数值的字体（Font）、字号（Point）。
除此之外，其他一些功能需要自行尝试或者参考相关教程。
3. 点和线颜色的修改，线宽的修改以及点的形状的修改
如图36（c）所示，改变了点线图的颜色和线宽。具体操作为： 将鼠标移至曲线，双击便可弹出对话框。
Line： 可以改变线的显示形式（Connect）、类型（Type）、线宽（Width）和颜色（Color）。
Symbol： 可以改变点的大小（Size），颜色和点的形状。
4. 曲线名称的命名和显示形式
如图36（d），对曲线进行了重新命名。通常情况下，曲线的名称默认为工作簿Y轴Comments填写的内容。如果工作簿中的Long Name和Comments未填写，则默认为Y轴的名称。修改时，将鼠标移至名称处双击即可进行填写。
右键选择属性（Properties），弹出对话框，选择Background下拉菜单即可实现多种显示效果； 定义旋转角度（Rotate）可以实现文本框的旋转。
3.5图形文件的输出
Origin图形文件的输出主要有3种形式。第一种途径，选择菜单Edit，下拉材料选择Copy Page，就可以直接把图复制下来，如图37（a）所示。然后，使用快捷键组合“Ctrl+V”就可以把图形直接粘贴在Word文件当中。通过这种方式复制的文件，后期还可以进行修改。修改时，只要双击图形就可实现，但是其不足主要在于没有源文件。第二种途径，选择菜单File，下拉菜单选择Export Graphs即可实现图形的输出。输出图形的格式可以通过下拉Image Type菜单来实现，保存路径可以通过定义Path来实现，名称可以输入File Name来完成，如图37（b）所示。第三种途径，将鼠标移至管理区，右键选择New Window>Layout，将Copy Page的图形，通过使用“Ctrl+V”将图直接粘贴出来，最后通过Export Page来实现。


图37图的输出

(a) 使用复制功能； (b) 使用输出功能


3.6数据的线性拟合
Origin软件除了可以进行数据的绘制之外，还可以对数据进行处理和分析。比如，进行数据点的线性拟合、非线性拟合、分峰等。
数据的拟合需进入菜单Analysis，在下拉菜单中选择Fitting>Linear Fitting来进行，如图38（a）所示。图38（b）为弹出窗口，可以在里面选择需要拟合的数据范围（可在Range>Rows>From/To进行设置）。图38（c）为线性拟合后的结果，里面的表格表示了该直线的斜率、截距和拟合质量。图38（d）表示该拟合的线性直线，其线的颜色和宽度也可以进行相关的调整。


图38曲线的线性拟合




图38（续）







第4章化学热力学实验
实验1燃烧热的测定
一、 实验目的
1. 了解量热计（calorimeter）的原理、构造及使用方法。
2. 用氧弹式（oxygen bomb）量热计测定蔗糖（sucrose）的燃烧热（combustion heat）。
3. 学会用雷诺图（Renolds figure）校正（calibration）温度值。
二、 实验原理
当产物（product）的温度与反应物（reactant）的温度相同，并且反应过程中体系只做体积功（volumetric work）而不做其他功的情况下，化学反应所吸收或放出的热量（absorbed或released heat），称之为此过程的热效应（thermal effect），通常也称为“反应热”（reaction heat或enthalpies of reactions）。在既定的温度和压力下，完全氧化1 mol物质时所释放的反应热称为燃烧热。这里完全氧化（complete oxidation）指的是有机化合物（organic compounds）中的碳被氧化成气态二氧化碳（carbon dioxide）、氢氧基团（hydroxyl group）被氧化成液态水，硫（sulfur）被氧化成气态二氧化硫等。
例如： 在标准压力（standard pressure）下，25℃时蔗糖被完全氧化所发生的反应式如式（41）所示。
C12H22O11+12O212CO2+11H2O（41）
由于绝大多数有机化合物不能由单质直接合成，并且合成反应（synthetic reaction）中又往往存在副反应（side reaction），因此它们的标准摩尔生成焓也就不能直接测定。但是，相比而言有机化合物燃烧反应进行得比较完全，且副反应少，摩尔燃烧焓数值较大，测定的准确度高，故主要用来求算物质的标准摩尔燃烧焓（standard enthalpy change of combustion）。另外，也可以用它来计算标准摩尔反应焓、估算键能（bond energy）以及作为燃料的质量指标。比如在工业上，燃烧焓是煤、天然气、石油等燃料的一个重要质量指标。

燃烧热的测定在热量计中进行，主要分为定容（氧弹式）和定压（火焰式）两类。氧弹式热量计适用于固体和液体物质的燃烧，测定的是恒容燃烧热。它的基本原理是能量守恒定律，即样品燃烧所释放的能量使氧弹本身及周围的介质和热量计有关附件的温度升高，然后根据燃烧前后体系温度的变化来求算所需参数。而火焰式适用于气态或挥发性液态物质的燃烧，测定的是恒压燃烧热。经过能量、化学计量的测定以及标准态的换算，即可求得标准摩尔燃烧热。




若反应系统中的气体物质均可视为理想气体（ideal gas），则由热力学第一定律（first law of thermodynamics）可知，如果燃烧反应是在恒温恒压（constant temperature and pressure）条件下进行，并且不做非体积功，则摩尔燃烧热在量值上等于恒压摩尔燃烧焓，如式（42）所示。
Qp,m=ΔcHm（42）
如果燃烧反应是在恒温恒容条件下进行，并且不做非体积功，则摩尔燃烧热在量值上等于恒容摩尔燃烧焓： 
QV,m=ΔcUm(43)
恒压摩尔燃烧热与恒容摩尔燃烧热满足式(44)： 
Qp,m=QV,m+∑vB(g)RT(44)
其中，∑vB(g)RT指燃烧反应计量方程式中气体物质B的计量系数之代数和。
本实验是采用氧弹式量热计来测定蔗糖的燃烧热。在实际测量中，燃烧反应常在恒容条件下进行(如在弹式量热计中进行)，因此首先测定恒容过程的燃烧热QV,m，然后再由反应前后气态物质摩尔数的变化Δn，就可求算出恒压过程的燃烧热Qp,m，即燃烧焓ΔcHm。
在被研究的体系中，燃烧放热的物质主要有： 样品(苯甲酸)、引火丝（铁丝）等。氧弹放置在装有一定量水的水桶中，水桶外是空气隔热层和温度恒定的水夹套。样品在体积固定的氧弹中燃烧所释放的大部分热量被水桶中的水吸收； 另一部分则被氧弹、水桶、搅拌器及温度计等所吸收。在量热计与环境没有热交换（heat transfer）的情况下，可以写出如下的热量平衡公式:
-QV×m-q×L=W×C水×ΔT+C计×ΔT

C计=-QV×m-q×LΔT-W×C水（45）
其中，QV为苯甲酸的燃烧热 （-26460 J·g-1 ）； m为苯甲酸的质量（g）； q为引火丝单位长度的燃烧热（-2.9 J·cm-1）； L为烧掉了的铁丝的质量（g）； W为水桶中水的质量（g）（所量的水一定要保证把氧弹全部淹没，其温度的改变决定于待测样品发热量的大小）； C水为水的比热容（J·g-1·℃-1）； C计为氧弹、水桶等的总的比热（也称为热量计的水当量）(J·℃-1 )； ΔT为与环境无热交换时的真实温差。
由式（45）可知，要测得样品的QV ，首先需要知道仪器的水当量C计。测量的方法是，以一定量的、燃烧热已知的标准物质（比如，常用苯甲酸，其燃烧热以标准试剂瓶上所标明的数值为准），在相同的条件下进行实验。通过标准物质的燃烧，来测定仪器的水当量C计，然后测定样品的QV，进而计算相应的Qp。
实际上氧弹式量热计不是完全绝热（adiabat）的，鉴于传热速率的影响，在温度达到最高值之前需要一段时间，而在这段时间内难免不会发生热的交换，从而导致温度读数不准确，因此需要对测量结果进行雷诺校正。
燃烧前后水温随时间变化的曲线（abcde）如图41所示。图中，点b对应的是燃烧起始时的测量点（Tmin），此时燃烧所释放的热量开始传导给介质，导致介质温度发生明显的升高。点d对应的是燃烧过程中所测量到的温度最高值(Tmax)。点Tmid对应的是Tmin和Tmax中间点即Tmid=Tmax-Tmin2，该点所对应的温度相当于室温。过点Tmid作时间轴（X轴）的平行线，交测试曲线于点c。过点c作温度轴（Y轴）的平行线DD′AA′，分别交de和ab的延长线于点D和点A。此时，点D和点A所对应的温度差ΔT即为待测的温差（temperature difference）。样品开始燃烧后，除了样品燃烧所释放的热量能够导致介质的温度上升之外，环境和搅拌器还会以热辐射和热传导的形式传热给量热计导致温度上升，因此实测温度往往高于实际温度，由此产生的偏差必须要扣除。从开始燃烧到介质温度（Tmin）达到室温（Tmid）的时间Δt1内，由后者所产生的温度偏差为AA′。从介质温度达到室温（Tmid）后一直到温度达到最高值（Tmax）的时间Δt2内，量热计以热辐射的形式将热量传递给了外部环境，此时实测温度低于实际温度，其偏差为DD′。由此，A、D两点的温差即为样品燃烧所导致的量热计温升的客观值。当氧弹量热计绝热情况良好，热漏较小时，由搅拌器所引入的热量将导致测量曲线不会出现最高值（图41（b））。这种情况下的雷诺校正同上。


图41氧弹式量热计绝热较差（a）和绝热良好（b）时的雷诺校正曲线



三、 仪器与试剂
本实验所用仪器设备和化学试剂如表41所示。


表41仪器设备和化学试剂一览表



名称
数量
氧弹式量热计
1套
氧气钢瓶
公用