關于干冰升華實驗的思考

道曉蕊

(南京市第十八中學，江蘇 南京 210022)

“物態(tài)變化復習”的課堂上，教師通常用棕色小玻璃瓶、氣球、少量干冰等器材讓學生進行分組實驗，以體驗升華等物態(tài)變化. 具體做法是：將少量干冰置于棕色小玻璃瓶內(nèi)，用氣球封住瓶口. 實驗中，學生觀察到氣球不斷膨脹，據(jù)此得出“干冰升華變?yōu)闅怏w”的結論；且由觀察到瓶壁出現(xiàn)白霜，得出“白霜是由水蒸氣凝華形成”. 教師以此演示升華、凝華的實驗，但是筆者對實驗的合理性存疑，為何采用小棕瓶及該如何解釋氣球膨脹現(xiàn)象. 另外，氣球膨脹到一定程度會爆裂，有一定的危險，實驗中應有所規(guī)避或解決.

1 存疑問題

1.1 探究采用棕色瓶子的合理性

通過檢索相關文獻發(fā)現(xiàn)類似實驗方法主要有2種，一是采用棕色瓶子[1]，如圖1所示；二是采用試管[2]，如圖2所示. 這2種方法都是用氣球封口，觀察到氣球膨脹，說明干冰發(fā)生了升華現(xiàn)象. 關于采用棕色瓶子的緣由，亦有相關敘述[1]：將干冰裝在深色藥瓶里后，瓶壁的白霜得到襯托，現(xiàn)象明顯了，凝華現(xiàn)象的可視性意圖得到了實現(xiàn). 而事實上，凝華現(xiàn)象是明顯了，但是何以斷定瓶子里干冰只發(fā)生升華，即沒有出現(xiàn)液態(tài)，實驗無法直接觀察.

圖1 采用棕色瓶和氣球的升華實驗

圖2 采用試管和氣球的升華實驗

另外采用棕色瓶子是否是基于棕色瓶子吸熱能力強的考慮，筆者進行了相關實驗. 取2個大小相同的瓶子，分別是棕色和無色，容積均為72 mL. 將它們長時間靜置于實驗室內(nèi)，采用DIS設備，溫度傳感器精度±0.5 ℃，分辨率0.05 ℃，測得其內(nèi)部溫度相同，測量結果如圖3所示.

圖3 室內(nèi)照明條件下棕色、無色瓶內(nèi)溫度對比

實驗發(fā)現(xiàn)，由于實驗室內(nèi)的LED燈屬于冷光源，且與瓶子距離較遠，因此瓶內(nèi)溫度無明顯差異. 為了驗證筆者對吸熱考慮的合理性，改用白熾燈作為光源，并加以環(huán)境溫度作為參照對比，再次進行實驗，實驗裝置如圖4所示. 實驗時盡量靠近兩瓶子，使光源到兩瓶子大致等距. 實驗前，瓶內(nèi)溫度和環(huán)境溫度如圖5所示(最上面所示的溫度為棕色瓶內(nèi)氣體溫度；中間所示的溫度為透明瓶內(nèi)氣體溫度；最下面所示的溫度為環(huán)境溫度).

圖4 對比棕色、無色瓶吸熱能力裝置圖

圖5 實驗前兩瓶內(nèi)氣體溫度及環(huán)境溫度

15 W的白熾燈與兩瓶的距離為10.7 cm，打開白熾燈開始計時，根據(jù)軟件采集到的數(shù)據(jù)擬合出溫度計示數(shù)變化的曲線，如圖6所示.

圖6 白熾燈與2瓶距離10.7 cm時，瓶內(nèi)溫度的變化曲線

實驗發(fā)現(xiàn)，棕色瓶內(nèi)氣體溫度變化曲線的斜率更高. 實驗前，兩瓶內(nèi)氣體溫差為0.2 ℃，由于溫度傳感器精度±0.5 ℃，此溫差屬系統(tǒng)誤差. 實驗結束時，兩瓶溫差為0.3 ℃，差值增大0.1 ℃，而溫度傳感器分辨率0.05 ℃，故0.1 ℃系有效數(shù)據(jù)，表明在光源相同時，棕色瓶的吸熱能力較無色瓶更強.

為使實驗結論更具有普遍性，筆者改變白熾燈與玻璃瓶之間的距離，多次實驗,得到如圖7～8的圖像.

圖7 白熾燈與兩瓶距離36 cm時，瓶內(nèi)溫度的變化曲線

圖8 白熾燈與兩瓶距離155 cm時，瓶內(nèi)溫度的變化曲線

實驗發(fā)現(xiàn)，當白熾燈距離瓶子較近時，棕色瓶的吸熱能力確實強于無色玻璃瓶. 但當白熾燈距離瓶子較遠時，幾乎對瓶內(nèi)溫度無影響. 這表明筆者對吸熱的考慮是合理的，但是不適合課堂教學環(huán)境. 故筆者認為采用棕色瓶子不合理.

1.2 氣球膨脹的原因

氣球膨脹的原因可能有2種：一是瓶內(nèi)干冰升華為氣體，使瓶內(nèi)氣體增多；二是由于瓶子和氣球內(nèi)原先就有部分空氣，這些空氣受熱膨脹，體積變大. 若要排除第2種可能，教師應該讓學生先明了升華吸熱，導致瓶內(nèi)氣體溫度降低，從而排除瓶內(nèi)空氣受熱膨脹的可能性，才能說明氣球膨脹是生成了二氧化碳氣體所致.

1.3 實驗安全須保障

氣球膨脹到一定程度，會爆裂. 由于是學生分組實驗，學生實驗時靠得很近，氣球爆裂具有一定的危險性，授課教師以及現(xiàn)有文獻均未提供解決方案，亦未對此危險作任何警示.

1.4 實驗可視化不成立

物理實驗講究“眼見為實”，但是圖1中的棕色瓶子不透明，上方又密封了有色氣球，無法看到瓶內(nèi). 而圖2采用試管，理論上可以看清管內(nèi)干冰物態(tài)變化的細節(jié)，但是如圖2所示的情境，底部外側(cè)出現(xiàn)了1層白霜，厚厚的白霜裹住試管底部，仍無法看到內(nèi)部干冰，從試管側(cè)上方向下觀察，由于視線受阻，也不一定能看到內(nèi)部，內(nèi)部干冰狀態(tài)無法判斷.

1.5 球內(nèi)氣體溫度不降反升

為防止學生用手接觸干冰發(fā)生凍傷危險，教師都會在實驗前強調(diào)切勿用手去觸碰干冰. 故在實驗中，對于干冰的升華吸熱，學生沒有直觀感受，都是通過觀察容器外壁出現(xiàn)白霜來推斷升華吸熱的. 由于學生無直觀感受亦無測量數(shù)據(jù)，通常會用手去觸摸容器來感受其溫度變化，以此來推斷升華過程中的吸熱、放熱情況.

以南京地區(qū)為例，大約10月中旬教授此內(nèi)容，其時氣溫約22 ℃. 實驗前，瓶子溫度等于室溫，一般學生不會去觸碰瓶子. 實驗中，學生再用手去觸碰瓶子，會明顯感到冷，但瓶子溫度始終低于人體溫度，用手觸摸瓶子，當然會感覺到冷. 所以這種直觀感受其實并不能說明問題.

若人手直接去觸碰氣球，反而有暖和的感覺，其原因為：首先，氣體膨脹會對氣球做功，氣球溫度升高可能是由于做功所致，其次，氣球及氣體質(zhì)量小，氣球本身是熱的不良導體，球內(nèi)的二氧化碳氣體不流動，隔熱性能更好，其熱傳導率很小，所以手觸摸氣球的感覺會和觸摸玻璃瓶的感覺截然相反，感到較熱.

2 實驗的改進

2.1 實驗方案

針對以上問題，基于測量精度和數(shù)據(jù)記錄考慮，采用DIS實驗及自封口的長條形塑料袋進行實驗，但是密封較為困難. 為使溫度傳感器探頭深入袋內(nèi)，塑料袋宜深不宜淺，放入干冰，盡量排盡空氣，再放入傳感器探頭，用橡皮筋扎口，如圖9所示. 待干冰升華，袋體鼓起后，調(diào)整探頭，使探頭不觸碰塑料袋，調(diào)整過程中，手不能觸碰袋體，以避免給袋體加熱. 由于袋體容積較小，約850 mL，干冰升華，只需要1～2 min即可令袋體完全膨脹.

圖9 溫度傳感器密封至塑料袋

2.2 實驗與分析

由于塑料袋具有一定的隔熱性，袋內(nèi)氣體與室內(nèi)空氣的熱傳遞不會過快，因此便于觀察到袋內(nèi)氣體溫度的變化. 為排除環(huán)境溫度對實驗結果的干擾，筆者事先選取了2只規(guī)格相同的溫度傳感器. 初始時感溫探頭均置于空氣中，發(fā)現(xiàn)2只溫度計示數(shù)均為19.6 ℃，如圖10所示. 將一只溫度計如圖9所示放置，測量袋內(nèi)氣體的溫度，另一只放置在桌面上用于測量周圍環(huán)境溫度.

在溫度計插入塑料袋后開始計時，軟件根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動繪制2只溫度計示數(shù)的變化曲線，如圖11所示. 圖11中，對于曲線0所測的袋內(nèi)氣體溫度，由于將溫度傳感器裝入袋內(nèi)時，已經(jīng)干擾了袋內(nèi)氣體所處系統(tǒng)，導致初始溫度有所變化. 實驗發(fā)現(xiàn)，開始時，隨著袋內(nèi)干冰迅速升華，塑料袋開始膨脹，并伴有“噼里啪啦”的塑料袋被脹開的聲音，袋內(nèi)溫度計示數(shù)不斷上升，最多升高0.8 ℃. 袋內(nèi)氣壓大到一定程度時，塑料袋由于膨脹發(fā)出的聲音逐漸減弱，最后消失，此時袋內(nèi)氣體溫度明顯下降，查看塑料袋，發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，如圖12所示.

圖10 實驗前溫度計示數(shù)

圖11 用2只溫度計測溫度的變化曲線

圖12 塑料袋撕裂

實驗初始階段，袋內(nèi)氣體溫度上升，可以從做功方面來解釋：袋內(nèi)氣體膨脹的同時，袋子也在壓縮氣體，等同于袋子對氣體做功，因此氣體溫度升高. 直到塑料袋內(nèi)氣壓足夠大，塑料袋被撐裂，袋內(nèi)氣體開始泄漏，此時袋內(nèi)氣體溫度下降. 對于此現(xiàn)象，筆者認為此時氣體對外做功，內(nèi)能減小，溫度降低.

曲線1所測的是環(huán)境溫度，傳感器原先置于遠離塑料袋處，溫度保持不變. 實驗中將其移至塑料袋下方，發(fā)現(xiàn)測得的溫度下降，表明干冰升華吸熱導致塑料袋底部周圍空氣溫度降低，這部分相對較冷的空氣下沉，就是該曲線下降的緣由. 將傳感器移離塑料袋下方，曲線逐漸恢復到原先溫度. 該曲線可以用來說明升華吸熱. 而袋內(nèi)氣體溫度曲線恰好與升華吸熱相悖，其并非升華吸熱的理論錯誤，而是壓縮氣體做功改變了內(nèi)能. 這恰好驗證了關于人手觸摸氣球的直觀感受的分析是正確的.

為了進一步分析，在上次實驗設計基礎上繼續(xù)改進，再次實驗. 采用3只相同規(guī)格的溫度計，1只溫度計掛在鐵架臺的上方用于測量室內(nèi)溫度；1只固定于塑料袋的下方，測量干冰升華對周圍空氣溫度的影響；1支溫度計插入袋內(nèi)，測量袋內(nèi)氣體溫度. 實驗裝置如圖13所示.

圖13 測量袋內(nèi)氣體溫度裝置圖

溫度計開始插入塑料袋時記錄數(shù)據(jù)，電腦繪制出的溫度隨時間的變化圖像如圖14所示.

圖14 用3只溫度計測溫度的變化曲線

實驗時，實驗者會湊近塑料袋觀察下方的霜和“白氣”，引起周圍空氣擾動，因此曲線2溫度發(fā)生了波動. 但仍可以發(fā)現(xiàn)塑料袋下方氣體溫度明顯低于環(huán)境溫度. 為了使實驗結論更具有普遍性，筆者再次進行實驗，實驗圖像如圖15所示.

圖15 重復實驗中溫度的變化曲線

圖14～15所示袋內(nèi)氣溫沒有出現(xiàn)圖11所示的一段快速下降的現(xiàn)象，其原因在于這2次袋體沒有撐裂，氣體是從橡皮筋扎口處緩慢往外泄壓，故袋內(nèi)氣溫變化甚微. 故筆者推斷，圖1所示的氣球，其內(nèi)部氣溫升高程度理應更加明顯，其在爆裂前應該不會下降，但是由于器材所限，無法實際測量.

3 結束語

源于一個偶然的機會，令筆者在教學中采用干冰進行升華、凝華實驗的教學時，嘗試設計了更多的相關實驗． 同時也正是由于教育現(xiàn)代化程度的普及和提高，讓普通中學得以利用DIS進行高精度的實驗測量． 實驗中的一些偶然發(fā)現(xiàn)，更令筆者有了新的思考． 當筆者將經(jīng)過改進的實驗再次呈現(xiàn)給學生時，學生經(jīng)歷了更加生動、直觀的情感體驗，對相關物理知識有了更進一步的理解． 作為教師，也深刻意識到，平時工作中需要時刻注意積累教學素材，充實豐富自己的教學經(jīng)驗． 止于至善，應該是全體教師的共同追求；教學相長，師生永遠在攜手同行．