水沸騰時吸收的熱量“何去何從”

祝　碩

(北京市第二中學(xué)亦莊學(xué)校，北京　100176)

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水沸騰時吸收的熱量“何去何從”

祝碩

(北京市第二中學(xué)亦莊學(xué)校，北京100176)

水沸騰的條件是達(dá)到沸點，繼續(xù)吸熱．那么水沸騰時吸收的熱量“跑”哪去了？本文首先重溫“探究水沸騰時溫度變化的規(guī)律”這一分組實驗，接著分析水沸騰的本質(zhì)，通過剖析水沸騰時的分子動能和分子勢能，解釋熱量的去向問題．通過水沸騰的分析，讓學(xué)生對這部分知識獲得整體上的了解，不僅可以促使學(xué)生對類似問題的思考，還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的動力，提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)．

水沸騰內(nèi)能熱量相位

“探究水沸騰時溫度變化的規(guī)律”是初中物理階段重點的學(xué)生分組實驗之一．學(xué)生完成這個實驗，需要經(jīng)歷科學(xué)探究的幾個重要過程：提出水沸騰前后溫度如何變化這一問題、根據(jù)已有經(jīng)驗進(jìn)行猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗并實施、記錄實驗數(shù)據(jù)、分析論證等．然而，學(xué)生對于“水沸騰后繼續(xù)吸熱溫度保持不變”這一結(jié)論不易理解，不明白水沸騰時吸收的熱量到哪里去了．本文通過理論分析，對水沸騰時吸收的熱量“何去何從”進(jìn)行了研究，有助于教師深入理解相關(guān)知識，在教學(xué)中做到心中有數(shù)，面對學(xué)生提出的問題更加從容，保證教學(xué)的有效性．

一、“探究水沸騰時溫度變化的規(guī)律”實驗簡介

1.猜想與假設(shè)

(1)水達(dá)到沸點后，對其繼續(xù)加熱，溫度升高．

(2)水達(dá)到沸點后，對其繼續(xù)加熱，溫度不變．

2.實驗準(zhǔn)備

將室溫下的水加熱至沸騰，需要較長的時間．為節(jié)約教學(xué)時間，應(yīng)注意以下三點：用適量的85 ℃左右的熱水進(jìn)行實驗；用酒精燈的外焰加熱；將帶有小孔的硬紙板蓋在燒杯口處．

3．實驗評估

學(xué)生在驗證猜想、得到結(jié)論后，對以下兩個問題進(jìn)行思考：

(1)水沸騰后，撤去酒精燈，水并沒有立即停止沸騰，這是為什么？

(2)水沸騰后繼續(xù)吸熱的過程中，水吸收的熱量“跑”哪去了？

對于問題(1)，學(xué)生可以在課堂上給出解釋：撤去酒精燈后，石棉網(wǎng)的溫度仍高于水的沸點，熱量可以由石棉網(wǎng)傳遞給水，因此，在撤去酒精燈后的一段時間內(nèi)，石棉網(wǎng)充當(dāng)了水的熱源．

水達(dá)到沸點后繼續(xù)吸熱溫度不變是不爭的實驗事實，那么水沸騰時溫度為什么不變？水沸騰時其內(nèi)能如何變化？水吸收的熱量“跑”哪去了呢？

這就需要我們對水沸騰的本質(zhì)及有關(guān)相變的問題進(jìn)行深入的了解．

二、水沸騰的本質(zhì)

圖1

未經(jīng)過加熱的水中通常存在大量的小氣泡，如圖1所示，我們將氣泡內(nèi)壓強(qiáng)稱為p內(nèi)，氣泡外緊貼氣泡膜處的泡外壓強(qiáng)稱為p，p是液體內(nèi)部壓強(qiáng)ρgh和液面上方壓強(qiáng)p大氣之和，一般情況下ρgh與p大氣相比可以忽略，因此我們將泡外壓強(qiáng)看作p大氣．

在對水進(jìn)行加熱時，隨著水溫的升高，氣泡內(nèi)的蒸汽壓增大．飽和蒸汽壓與溫度一一對應(yīng)，當(dāng)飽和蒸汽壓等于外界壓強(qiáng)時，氣泡內(nèi)外的兩相平衡被打破，大量氣泡急劇膨脹，并在浮力的作用下迅速上升，到液面處破裂，從而放出飽和蒸汽，這就是沸騰過程，而沸點就是飽和蒸汽壓等于外界壓強(qiáng)時的溫度．也就是說，外界壓強(qiáng)一定時，只有泡內(nèi)溫度持續(xù)達(dá)到沸點，使飽和蒸汽壓持續(xù)等于外界壓強(qiáng)，平衡才能不斷地被破壞，沸騰才能持續(xù)地發(fā)生．由于此時飽和蒸汽壓不再增大，水沸騰時氣泡內(nèi)(水內(nèi)部)的溫度不再升高，因此水沸騰時持續(xù)吸熱，溫度不變．

可見，水的沸點是由大氣壓決定的．我們知道，在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點是100 ℃．當(dāng)外界壓強(qiáng)增大時，打破平衡所需的泡內(nèi)飽和蒸汽壓增大，沸點就隨之增高，這就是外界氣壓與沸點的關(guān)系．

三、水沸騰時內(nèi)能的變化

(一)水沸騰時的分子動能

在學(xué)習(xí)了分子熱運動后，有些學(xué)生會將內(nèi)能知識遷移，用來解釋水沸騰時的內(nèi)能變化．他們認(rèn)為：沸騰時，水繼續(xù)吸熱溫度不變，因為物體的內(nèi)能與溫度有關(guān)，所以水的內(nèi)能不變．殊不知這樣的解釋大錯特錯，因為學(xué)生并沒有充分理解分子熱運動．我們知道，內(nèi)能包括分子動能和分子勢能．分子動能是分子做無規(guī)則運動具有的能量，它是溫度的函數(shù)；而分子勢能是由于分子間相互作用具有的能量，它是分子間距的函數(shù)．當(dāng)水沸騰時，我們把水和周圍的水蒸氣看作整體，因為溫度不變，分子熱運動的劇烈程度保持穩(wěn)定，分子的平均動能也就不變，那么分子勢能又會怎樣呢？

(二)水沸騰時的分子勢能

首先，我們來認(rèn)識一下分子間作用力和分子勢能隨分子間距的變化情況．我們知道，分子之間同時存在著引力和斥力，當(dāng)兩個分子中心的間距為r0(平衡距離，r0≈10-10m)時，引力與斥力相互抵消，合力為零；當(dāng)r

圖2

圖3

水汽化變?yōu)樗魵鈺r，分子間距處于r0

物質(zhì)處于固、液、氣三態(tài)時，分子間距一般在r0Ep液>Ep固．

四、水沸騰時吸收的熱量跑哪去了

水的沸騰為什么需要持續(xù)加熱才能維持？水沸騰時吸收的熱量跑哪去了？

在某種條件下，如果物質(zhì)可以有幾種不同的物態(tài)同時存在，則每一個物理性質(zhì)均勻的部分稱為一個相，同一物質(zhì)組成的相為單元系．那么，冰、水、水蒸氣就組成一個單元三相系，這三相之間的轉(zhuǎn)變過程有兩個共同特征：一是物質(zhì)發(fā)生相變時，體積要發(fā)生顯著變化；二是相變時，要吸收所謂的“相變潛熱”．

水的沸騰屬于單元系相變，這一過程的“相變潛熱”稱為汽化熱．那么，水沸騰時吸收的汽化熱最終的去向是什么？我們知道，改變物體的內(nèi)能有兩種方式：做功和熱傳遞，這就把(吸收或放出的)熱量、做功和內(nèi)能的改變聯(lián)系起來．熱力學(xué)第一定律告訴我們，Q=ΔU+A，即單元系所吸收的熱量Q用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能ΔU和系統(tǒng)對外做功A．因此，水沸騰時吸收的熱量一方面使得水和水蒸氣系統(tǒng)的內(nèi)能增加；另一方面，水沸騰時大量氣泡上升到水面，氣泡膨脹破裂，熱量用來對外做功．

五、總結(jié)

至此，水的沸騰實驗及拓展思考告一段落．雖然學(xué)生也許并不能完全理解上述復(fù)雜的理論分析，但教師可以有選擇性地將分析過程和重要結(jié)論告訴學(xué)生，讓他們對這一知識獲得整體上的了解，這可以激發(fā)學(xué)生未來努力學(xué)習(xí)物理的動力．教師還可以在教學(xué)中提出更多類似的問題，促進(jìn)學(xué)生深入思考，培養(yǎng)他們收集資料、分析論證、實驗探究等方面的能力，而研究過程本身對教師來說也是對專業(yè)素養(yǎng)的提升．

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)[S]. 北京:北京師范大學(xué)出版社，2012:25.

[2]人民教育出版社課程教材研究所.義務(wù)教育教科書·物理·八年級上冊[M].北京:人民教育出版社，2013:59.

[3]人民教育出版社課程教材研究所.義務(wù)教育教科書物理(八年級上冊)探究活動報告冊[M]. 北京：人民教育出版社，2013:21.

[4] 汪志成. 熱力學(xué)與統(tǒng)計物理[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1993:53.