燒水過程中水的T—t曲線和自然條件下降溫過程中水的T—t曲線

于志遠(yuǎn) 郎長紅

摘 要：在許多熱學(xué)現(xiàn)象中都涉及到水的熱學(xué)性質(zhì)，其中水的溫度和時(shí)間的關(guān)系影響了很多問題，如怎樣燒水才能效率最高等。本文用燃?xì)庠顭涗浟擞萌細(xì)庠顭^程中水的溫度T與時(shí)間t的關(guān)系曲線和自然條件下降溫過程中水的溫度T與時(shí)間t的關(guān)系曲線，掌握水的溫度和時(shí)間的關(guān)系可以更好地了解其熱學(xué)性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：升溫曲線 降溫曲線 溫度 時(shí)間 高精度鉑熱電阻 溫控表

本次實(shí)驗(yàn)是將1.9kg的水裝在水壺中，用燃?xì)庠顭_。室溫為29°。因?yàn)橄肟s短燒水的時(shí)間，在燃?xì)庠畹拈_關(guān)選擇了較大火力的擋位。但是如果火力太大，燃?xì)馊紵怀浞郑鹧嫱庋嫖恢锰撸炊粫?huì)最快燒開并且浪費(fèi)燃?xì)狻Ｒ虼嗽趲讉€(gè)擋位中，我選擇了如圖所示介于最大檔和最低檔中間的位置。

測量溫度的溫度傳感器我采用了高精度鉑熱電阻搭配溫控表（量程是0到400°），儀器能夠時(shí)刻顯示水的溫度，精度極高。

一.水的升溫過程

水的初始溫度時(shí)28攝氏度，此后記錄的時(shí)間和對應(yīng)的溫度如下表。其中時(shí)間的單位是秒，溫度的單位是攝氏度。

用Excell軟件中的散點(diǎn)圖功能將上述數(shù)據(jù)以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以溫度為縱坐標(biāo)做T-t曲線，如下圖所示。

由圖像可知隨著溫度的升高，相等時(shí)間間隔內(nèi)溫度升高的值逐漸減小，即溫度升高得越來越慢。

二.自然條件下水的降溫過程

降溫過程水的溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)如下表。

用Excell軟件中的散點(diǎn)圖功能將上述數(shù)據(jù)以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以溫度為縱坐標(biāo)做T-t曲線，如下圖所示。

由圖像可知，水降溫時(shí)相同時(shí)間內(nèi)，水的溫度降低得越來越慢。

三.分析數(shù)據(jù)

水的降溫曲線和環(huán)境溫度是分不開的，本實(shí)驗(yàn)中環(huán)境溫度為29°。不同室溫，單位時(shí)間內(nèi)降溫的數(shù)據(jù)不盡相同，但是總的趨勢是不變的。

1.升溫過程：

本實(shí)驗(yàn)的起始水溫是28°，在實(shí)驗(yàn)前期可以明顯看到水溫急速上升。最開始幾乎每隔十秒鐘溫度提高兩度，40秒之后幾乎每隔五秒鐘溫度上升一度或者兩度，達(dá)到了升溫的巔峰時(shí)期。90秒以后可以看到溫度上升的逐漸緩慢，又變成了每隔五六秒中溫度提高一度。等到307秒之后，每升高一度的時(shí)間明顯變長，又六七秒之多。而346秒時(shí)溫度達(dá)到97度時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度上升非常緩慢，尤其是溫度由99度上升到100度，用了38秒！可見總的規(guī)律是隨時(shí)間的增加，水溫上升的越來越慢，中間有時(shí)會(huì)有略微的浮動(dòng)，并不是呈現(xiàn)一成不變的規(guī)則。

2.降溫過程

降溫過程我采用每隔30秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)。在150之內(nèi)都是每隔30秒溫度降低一度，規(guī)律性非常強(qiáng)。之后幾乎都是每隔30秒降一度緊接著的60秒降一度，這樣的規(guī)律維持了390秒。接下來是每隔90秒溫度降低一度。1050秒后是每隔兩分鐘溫度降一度。1920秒后變得更加緩慢。整體規(guī)律非常明顯，從圖像也可以看出，曲線非常圓滑。由圖像可以，隨時(shí)間的延長，水溫的降低越來越緩慢。

四.實(shí)際應(yīng)用

應(yīng)用1：由圖像可以得出水的沸點(diǎn)。

通過圖像了解水的溫度的變化規(guī)律，觀察水的沸騰現(xiàn)象，能夠得到水在沸騰過程中的特點(diǎn)：水在沸騰過程中溫度保持不變。在升溫圖像中，我們可以發(fā)現(xiàn)水在沸騰之前，水中由下層上升到上層的氣泡不斷變小，水壺口出現(xiàn)少許白氣，同時(shí)伴有滋滋的聲音。而水沸騰時(shí)，氣泡在上升中體積變大，水壺口出現(xiàn)大量的白氣，與此同時(shí)，水不斷翻滾，聲音也變成嘩嘩的響聲。由溫度傳感器可得，最后水溫趨近于一個(gè)不變的值，這時(shí)的溫度就是水的沸點(diǎn)了。

應(yīng)用2：作為學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)，研究水的溫度變化規(guī)律。

新課程改革之后對學(xué)生的物理探究精神的培養(yǎng)更加地關(guān)注，而探究性實(shí)驗(yàn)更是物理課程中不可獲取的組成部分。在物理教學(xué)中，要注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神，要真實(shí)的采集數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)提出合理的假設(shè)和猜想，學(xué)會(huì)分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。

而對本實(shí)驗(yàn)我也有一些初步的建議，在降溫過程中時(shí)間過長，如果課上完成整個(gè)時(shí)間不切實(shí)際。可以用電磁爐將不同容器的水燒成不同的溫度，然后分組進(jìn)行測量。比如每隔15度的溫度差分為一組，最后把數(shù)據(jù)整合起來。雖然在最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度上會(huì)差一些，但是學(xué)生都在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間段內(nèi)真實(shí)地記錄了數(shù)據(jù)。起到事半功倍的效果。

應(yīng)用3：研究怎樣提高燃?xì)庠畹臒?/p>

如果水是用燃?xì)庠罴訜岬模敲纯梢栽诩訜崆啊⒑笥涗浫細(xì)獗淼氖緮?shù)，用某一擋位進(jìn)行加熱，記錄數(shù)據(jù)并繪制升溫圖線。同樣方法換不同的擋位進(jìn)行多組測量，繪制出不同的升溫圖線。結(jié)合降溫圖線，根據(jù)燒水中的能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的情況，燒水中燃?xì)馊紵懦龅臒崃恳徊糠钟糜诮o水加熱，一部分給空氣加熱，然而給水加熱的的能量又有一部分使水溫升高，與此同時(shí)還有一部分熱量通過熱水散失給空氣。那么可以通過多次燒水來記錄不同溫度下散熱的快慢和單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)能的增加量。多次測量可以找到哪一種火力加熱水的效率最高。

應(yīng)用4：高科技展望

隨著科技的發(fā)展，給水加熱的方式多種多樣。最近市場上出現(xiàn)的磁能熱水器是利用磁能感應(yīng)原理，給導(dǎo)體體內(nèi)的水通過導(dǎo)熱題產(chǎn)生的億萬個(gè)小璇渦流從各個(gè)角度進(jìn)撞擊和切割。加熱過程中水電分離，大約5秒鐘就可以將約200ml的水加熱到沸騰。這種情況下，水的升溫曲線會(huì)是什么樣？會(huì)不會(huì)也是上述規(guī)律，目前不得而知。

參考文獻(xiàn)：

《在掌上實(shí)驗(yàn)室對熱水的自然降溫曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)建模》錢洋義 華南師范大學(xué)化學(xué)系

《水在冷卻散熱過程中溫度變化規(guī)律的探究》周興 廟鎮(zhèn)小學(xué)