师:同学们好,今天我们来学习初中物理沪科版九年级第12章第三节“汽化和液化”。我们先做一个关于酒精的小实验。
在透明塑料袋里倒入少量酒精,尽量排出袋中的空气并将口扎紧,然后把它放入热水中。这时,可以看到塑料袋慢慢鼓胀起来,里面酒精在逐渐减少,而气体在增多。再将鼓胀的袋子放入冷水中,会发现它的体积变小,袋中的气体也在减少。取出袋子,又会看到酒精增多了。
同学们能看到,挤出空气后扎紧塑料袋口,放入热水中袋子鼓胀起来,这就是我们今天要学习的汽化现象。接着放入冷水,袋子体积变小,这就是液化现象。
我在黑板上用水写一个“水”字,水会慢慢消失,那消失的水去哪里了呢?对,由液态变成气态,散发到空气中去了。想想家里烧开水的情景,水开了继续加热,壶里的水会越来越少,最后完全消失。那消失的水又去哪了呢?同样,也是变成气体散发到空气中去了。可见,汽化在生活中有两种方式:一种像黑板上的水渍这样悄然无息地消失,叫做蒸发;另一种像家里烧开水这样有剧烈现象的,叫做沸腾。我们先来探究水的沸腾。
实验器材有铁架台、温度计、酒精灯、石棉网、小烧杯、清水、纸质烧杯盖、计时器。
操作步骤如下:把酒精灯放在铁架台的平台上,石棉网放在圆环铁架上,调节圆环高度,使酒精灯火焰上部与石棉网接触。在烧杯中加入约70℃的水,挂上温度计,让温度计的玻璃泡与水充分接触,点燃酒精灯给水加热。当温度达到85℃时开始记录,每隔1分钟记录一次。
当接近沸腾时,可以看到出现大量气泡,气泡上升时由大变小,这个过程很短,不太容易观察到。接着,大量气泡上升且气泡越来越大,这就沸腾了。继续加热,水持续沸腾,但温度不再升高,此时的温度称为沸点。沸腾前仔细倾听,能听到“吱吱”的声音,沸腾时这种声音变小,这就是“开水不响,响水不开”的现象,在家里烧水时这个现象很明显。移走酒精灯,会看到水不再出现大量气泡上升,不再沸腾,这说明没有热量继续吸收,就不能沸腾。
根据记录的数据,以横坐标代表时间,纵坐标代表温度,可以看到沸腾前温度随时间升高,达到沸腾后,图像是一条水平直线,表明温度不变,此时的温度就是沸点。
从实验收集的数据能做出对应的时间 - 温度图像。同学们看,刚开始加热时,水的温度一路升高,到达某一个特定温度,也就是沸点后,温度保持在一条水平直线。大家会发现这个图像的形状和上节课我们学过的晶体熔化的图像非常相似。
从实验现象来总结一下水沸腾的相关知识。首先,沸腾的发生部位和剧烈程度是怎样的呢?大家看到水在烧杯里翻滚,不仅液体表面,内部的水也同时在发生沸腾,所以沸腾是表面和内部同时发生的一种剧烈的汽化现象。
那沸腾的条件是什么呢?实验过程中我们看到,不是一加热水就沸腾,刚开始是升温的,一直到达特定温度,也就是沸点,水才开始沸腾,并且撤去酒精灯后沸腾就停止,所以条件是达到沸点且继续吸热。
沸腾的特点又是怎样的呢?在沸腾过程中,同学们观察到温度一直保持在一条水平直线,所以温度保持不变,但又不能撤走酒精灯,因此是持续吸热且温度保持不变。
在烧水过程中,我们观察到有气泡,并且气泡大小会有不同变化。沸腾前,因为热传递需要时间,烧杯底部靠近火焰,温度高,而烧杯上部温度相对较低,所以气泡上升过程中会遇到冷水,一部分发生液化,重新变成小水珠。而沸腾时,上下温度一致,气泡在上升过程中,泡外的水不断向气泡内汽化融合,变成更大的气泡,到水面破裂就放出了水蒸气。
这个实验耗时较长,就像我们常识所知,在家里烧开一壶水大约需要15分钟左右。那么,课堂上请同学们总结一下,怎样可以缩短烧水时间呢?
生:适当减少水的质量,因为要用温度计测量水的温度,玻璃泡需要与被测液体充分接触,且不能碰到烧杯底部,所以水不能太少。提高水的初温,刚才实验老师用了70℃的温水,这样减少了升温时间。盖上带孔的盖子来减少热量散失。
师:同学们总结得很好。这些方法都能有效缩短实验时间。生活中,同学们经常吃汤圆,会发现有些汤圆是焦黄色的,有些却是白色的,这是为什么呢?下面我们来探究一下另一种液体酒精的沸点。
给酒精加热,并用数字温度计记录它的温度。沸腾前气泡由大变小,沸腾时气泡由小变大。酒精的沸点是77.9℃。
根据实验,我们做出对应的时间和温度的图像,可以看到水沸腾时水平直线保持在100℃,而酒精沸腾时的水平直线大约在78℃。这说明不同物质沸点不同。焦黄色的汤圆是在油中炸过的,含有碳水化合物和氨基酸的食物在高于120℃的高温下烹制时会快速蒸发脱水,从而颜色呈现焦黄色,我们知道油的沸点是287℃,而水煮的汤圆是在水中沸腾,水的沸点是100℃,没有出现上述情况,所以呈现白色,因此沸点和物质的种类有关系。
那么沸点和气压有关吗?来看课本上给出的几种液体的沸点,特别标注了在标准大气压下,这说明如果气压改变,沸点的值应该会有所变化。八年级我们学过大气压,提到气压越大,沸点越高。下面我们用小实验来验证一下。
我们做加压止沸和低压沸腾的实验。水加热至沸腾,撤去酒精灯,水因不能继续吸热而停止沸腾。用针筒抽气,看到水又重新沸腾了,这是因为液体上方大气压减小,沸点降低,这就是低压沸腾实验。水正在沸腾时,用针筒打气,发现它停止沸腾了,这是因为液体上方大气压增加,沸点升高,这就是加压止沸。
通过刚才的实验,确实是气压越大,沸点越高;气压越低,沸点越低。生活中我们经常用高压锅炖东西,因为高压锅密封性能好,水沸腾时锅内气压增大,沸点升高,所以高压锅内的温度比普通锅要高很多,温度越高,食物越容易煮熟,所以高压锅煮东西比一般的锅快。
现在回到黑板上的“水”字,大家发现它已经完全消失了。这个消失过程悄然无息,不像沸腾那样必须达到特定温度沸点,而是在任何时候都能发生,所以蒸发是在液体表面,并且在任何温度下都能发生的缓慢的汽化现象。
