于志遠 郎長紅

摘 要：在許多熱學現(xiàn)象中都涉及到水的熱學性質(zhì)，其中水的溫度和時間的關系影響了很多問題，如怎樣燒水才能效率最高等。本文用燃氣灶燒水，記錄了用燃氣灶燒水過程中水的溫度T與時間t的關系曲線和自然條件下降溫過程中水的溫度T與時間t的關系曲線，掌握水的溫度和時間的關系可以更好地了解其熱學性質(zhì)。

關鍵詞：升溫曲線 降溫曲線 溫度 時間 高精度鉑熱電阻 溫控表

本次實驗是將1.9kg的水裝在水壺中，用燃氣灶燒開。室溫為29°。因為想縮短燒水的時間，在燃氣灶的開關選擇了較大火力的擋位。但是如果火力太大，燃氣燃燒不充分，火焰外焰位置太高，反而不會最快燒開并且浪費燃氣。因此在幾個擋位中，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28攝氏度，此后記錄的時間和對應的溫度如下表。其中時間的單位是秒，溫度的單位是攝氏度。

用Excell軟件中的散點圖功能將上述數(shù)據(jù)以時間為橫坐標，以溫度為縱坐標做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間的變化數(shù)據(jù)如下表。

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

由圖像可知，水降溫時相同時間內(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，本實驗中環(huán)境溫度為29°。不同室溫，單位時間內(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：

本實驗的起始水溫是28°，在實驗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，達到了升溫的巔峰時期。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，每升高一度的時間明顯變長，又六七秒之多。而346秒時溫度達到97度時會發(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)律是隨時間的增加，水溫上升的越來越慢，中間有時會有略微的浮動，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。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，隨時間的延長，水溫的降低越來越緩慢。

四.實際應用

應用1：由圖像可以得出水的沸點。

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：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，同時伴有滋滋的聲音。而水沸騰時，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，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不變的值，這時的溫度就是水的沸點了。

應用2：作為學生探究性實驗，研究水的溫度變化規(guī)律。

新課程改革之后對學生的物理探究精神的培養(yǎng)更加地關注，而探究性實驗更是物理課程中不可獲取的組成部分。在物理教學中，要注重培養(yǎng)學生實事求是的科學精神，要真實的采集數(shù)據(jù)，學會提出合理的假設和猜想，學會分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。

而對本實驗我也有一些初步的建議，在降溫過程中時間過長，如果課上完成整個時間不切實際?？梢杂秒姶艩t將不同容器的水燒成不同的溫度，然后分組進行測量。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)的準確度上會差一些，但是學生都在恰當?shù)臅r間段內(nèi)真實地記錄了數(shù)據(jù)。起到事半功倍的效果。

應用3：研究怎樣提高燃氣灶的燒水效率

如果水是用燃氣灶加熱的，那么可以在加熱前、后記錄燃氣表的示數(shù)，用某一擋位進行加熱，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，燒水中燃氣燃燒放出的熱量一部分用于給水加熱，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原理，給導體體內(nèi)的水通過導熱題產(chǎn)生的億萬個小璇渦流從各個角度進撞擊和切割。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，水的升溫曲線會是什么樣？會不會也是上述規(guī)律，目前不得而知。

參考文獻：

《在掌上實驗室對熱水的自然降溫曲線進行數(shù)學建?！峰X洋義 華南師范大學化學系

《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