“探究水的沸騰”實驗：反思與重構

劉 旭

（首都師范大學附屬蘋果園中學分校，北京 100144）

1 傳統教學中的邏輯循環

傳統“探究水的沸騰”實驗教學中，使用酒精燈對水加熱，并用溫度計測量水溫，當水溫較高時（一般取80℃或90℃）開始每隔一段時間（一般取30 s）記錄一次溫度計示數，并將其繪制成如圖1所示的圖像.然后將水溫保持不變的過程定義為沸騰，又得出“沸騰時水溫保持不變”的結論，造成邏輯循環.

圖1 沸騰的溫度-時間圖像

其實，從上述實驗現象中只能分析得出“水持續加熱，最終溫度保持不變”的結論，而將沸騰的概念與之建立聯系，則有待商榷.

2 沸騰的判斷標準

在實驗中，持續對水加熱，會觀察到3種氣泡現象：（1）首先，可以觀察到容器底部和溫度計處會逐漸產生一些微小的氣泡，并且氣泡基本保持靜止，如圖2所示，這是溶解于水中的空氣受熱析出而產生的氣泡；（2）當加熱一段時間后，可以觀察到容器底部有氣泡持續產生，但氣泡在上升過程中體積逐漸減小，如圖3所示；（3）再繼續加熱一段時間后，可以觀察到容器底部持續產生的氣泡在上升過程中體積逐漸增大，如圖4所示.

圖2 空氣析出

圖3 開始沸騰

圖4 完全沸騰

傳統教學中，普遍認為現象（2）這一段時間內水并未處于沸騰狀態.究其原因，在于此狀態下的水溫仍處于上升之中，若認為此時水沸騰了，則與“水沸騰時溫度不變”的結論相悖.而這正是用結論指導實驗，導致邏輯循環的根本原因.

蒸發是只發生在液體表面的汽化現象，水內部產生了氣泡，顯然并非蒸發.如果不把此現象歸為沸騰現象，則又會與“汽化只有兩種形式”相矛盾.

沸騰是液體內部和表面同時發生的劇烈汽化現象.［1］將“液體內部是否有汽化現象出現”作為判斷蒸發或沸騰的唯一依據，則可避免邏輯循環.當可以觀察到容器底部有氣泡持續產生時，就可以認為沸騰已經開始了.

若認為現象（2）是一種沸騰現象，則有必要解釋為什么水沸騰時溫度還在升高：使用酒精燈加熱，熱源位于水的下方，因此水的內部存在溫差.沸騰現象發生在水的底部，而溫度計無法定點測量沸騰處水的溫度，這就導致了水的底部已達到沸點時，溫度計所測量的位置還未達到沸點.若使用兩根溫度計分別測量水中不同深度的溫度，可觀察到少許溫度的差異.在水中加入少許碳顆粒，使用酒精燈對水加熱，可以間接觀察到水的對流情況，也能說明水中存在著溫差.沸騰前，水內部通過“高溫水上浮→遇冷溫度降低→低溫水下沉”的非相變對流自下向上傳遞熱量.沸騰后，水內部通過“水沸騰→水蒸氣上浮→遇冷液化放熱→水下沉”的相變對流自下向上傳遞熱量，便是現象（2）.當水內部溫度一致時，水蒸氣便不再液化，底部產生的水蒸氣便可以全部浮出水面，便是現象（3）.

因此，不妨將現象（2）稱為“開始沸騰”，靠近熱源的一部分水沸騰了，而遠離熱源的一部分水還未沸騰；將現象（3）稱為“完全沸騰”，水全部處于沸騰狀態.

3 沸點的確定

在實驗中，持續對水加熱，最終溫度計會顯示某一數值保持不變，但這并非沸騰所特有的現象.忽略水質量的變化，當水從外界吸收的熱量與向外界放出的熱量達到平衡時，水溫就會維持在某一固定數值.沸騰只是平衡狀態的一種，當酒精燈火焰較小時，雖然無法將水加熱至沸騰，但最終也會達到平衡狀態.因此，水沸騰并非是水溫不變的必要條件，相反，利用水溫不變來確定水的沸騰是不合理的.即使水開始沸騰了，但因內部可能存在溫差，溫度計測量的溫度也不一定是沸點.確定水的沸點，應采取更嚴謹的實驗方法.

實驗需準備一個火焰可調的酒精燈（或功率可調的電熱爐），使用此裝置對水進行加熱，觀察到水溫不變后，應調大酒精燈火焰（電熱爐功率），若觀察到水溫不再升高，即可確定此時水溫為水的沸點，若觀察到水溫升高，應繼續調大酒精燈火焰（電熱爐功率）直至水溫不再升高為止.即水在被加熱的過程中，存在一最高溫度，該溫度為沸點.同時，本實驗也可以得出“水沸騰時，溫度不高于沸點”的結論.

事實上，水在吸收熱量的同時也在向外放出熱量，靠近熱源位置的水和遠離熱源位置的水必然存在溫差，但隨著熱源的增強，水內部溫差會減小，直至整體水溫無限接近沸點.

4 水沸騰時溫度不變

根據上文所述，水沸騰應包括水開始沸騰和完全沸騰兩個階段.水開始沸騰后，水內部溫差逐漸減小，整體水溫還在上升，就不能得出“水沸騰時溫度不變”的結論.因而應先對此命題進行解釋，“水沸騰時溫度不變”應指“水開始沸騰時，沸騰位置溫度不變；水完全沸騰時，整體溫度不變”.然后再設計實驗加以驗證.

首先，將小燒瓶中加入一定量的水，置于沸水浴中加熱，當觀察到溶解于水中的空氣全部析出后，蓋緊瓶塞，如圖5所示，繼續加熱一段時間，可觀察到小燒瓶中的水溫趨于沸點.因小燒瓶內外主要依靠熱傳導的方式傳遞熱量，內外溫差越小，吸收熱量的效率就越低，在小燒瓶內水溫趨于沸點時，幾乎不再從沸水浴中吸收熱量；另一方面，燒瓶及燒瓶內的水或多或少仍向外界放出熱量，故小燒瓶內部溫度達不到沸點，但可以被加熱至沸點以下、接近于沸點的溫度.筆者測定此時小燒瓶外沸水浴溫度為100℃，小燒瓶內水溫為98℃，若加以改進，應可使小燒瓶內水溫更加接近小燒瓶外沸水浴的溫度.

圖5 沸水浴加熱

再拔掉小燒瓶的瓶塞，此時小燒瓶內氣壓與外界氣壓相等，沸點相同，但觀察不到氣泡產生，即未產生沸騰現象.可以說明“水溫低于沸點時，不會沸騰”，其逆否命題為“水沸騰時，溫度不低于沸點”.

再綜合上文所述實驗得出的結論“水沸騰時，溫度不高于沸點”，可以得出“水沸騰時，溫度等于沸點”的結論，即“水沸騰時溫度不變”.

5 結語

本文以“有氣泡持續產生”作為判斷沸騰的標準，從操作角度對“沸點”重新進行了定義，并改進實驗在邏輯正確的前提下得出了“水沸騰時溫度不變”的結論.但對比改進實驗，傳統實驗簡單、直觀，且易于讓學生親自體驗，在教學中仍然具有重要的意義.望本文拋磚引玉，能為其他教師授課提供參考.