酒精灯加热实验的探究

酒精灯加热实验的探究

酒精灯是大多数用于化学实验的加热设备。酒精灯的火焰可以分为焰心、内焰和外焰3部分。焰心是我们观察到的比较暗的部分,内焰是最明亮的部分,呈黄色,外焰颜色比内焰淡,而且常飘忽不定。一般认为酒精灯的火焰温度在400~500℃左右,最高可达800℃,并且焰心、内焰和外焰的温度依次升高,其理论依据是:外焰燃烧充分,温度最高。因此在要用到酒精灯加热的实验中,都强调要用外焰加热。多少年来,不论是教科书还是有关手册,一般都认为酒精灯的外焰温度最高。教师在教学中也会不折不扣地将这一知识传递给学生,绝大部分学生能较好地掌握这一知识。那么事实果真如此吗?在初中化学学习时,我们做过用火柴梗比较蜡烛火焰各层温度的实验,通过观察火柴梗不同部位炭化速度的快慢来判断火焰各层温度的高低,得出实验结论:外焰温度>内焰温度>焰心温度。传统的中学化学实验对这个问题通常采用的是定性研究。酒精灯3层火焰的温度各有多高?3层火焰的温度大小关系究竟如何?酒精灯可以获得的最高温度是多少?这些都是定量研究的范畴,在传统的中学化学实验条件下难以开展。基于对这些问题的思考,笔者进行了实验探究。为了准确、实时、快速和自动采集酒精灯火焰不同部位的多个温度数据,本实验选用了先进的DIS实验系统来完成。DIS(DigitalInformationSystem)实验即数字化信息系统实验,由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。DIS实验系统最根本的特点是将实验过程或现象转化为可检测的物理信号,进而利用物理信号反映或研究实验本质,这也是科学研究中非常重要的“转化”思想。DIS实验系统的应用,使该实验从定性研究走向定量研究成为可能。2探究过程2.1探究仪器朗威uf8f5?倕DISLab6.0数据采集器、高温传感器、计算机、钢尺、铁架台、铁夹、升降台、酒精灯、火柴。高温传感器:量程为0~1200℃,分度1℃,由温度探针和传感器电路构成,由于金属探针采用优质不锈钢材料,故高温传感器可直接用于测量高温物质的温度(如火焰温度)。其敏感元件置于传感器金属探针顶端,其使用方法类似于温度计,使用时应让被测物质与此处充分接触。2.2探究思路酒精灯的3层火焰常有跳动,因此不能手持高温传感器测量火焰温度,而采用铁夹夹持高温传感器;且测量火焰各部位瞬时温度意义不大,故本实验测量的是火焰各部位的平均温度,实验平行地进行3次。测量时从高温传感器探针顶端与灯芯相贴位置开始,通过调节升降台的高度,改变高温传感器探针顶端与灯芯的距离,从而依次测量酒精灯火焰各部位的温度。测量的原则是:每次下调升降台高度为5mm,测量火焰每个高度60s内的平均温度。2.3探究方案(1)组装实验装置,用数据线连接计算机、数据采集器、高温传感器,如图1所示。(2)打开DISLabV6.0实验软件系统,点击“通用软件”,系统自动识别所接入的传感器,并显示当前温度值,在表1中记录此时的室温数值。点击实验软件上方的“计算表格”图标,选择“自动记录”栏内间隔为2s。(3)通过调节升降台的旋钮来改变酒精灯所处的高度,使酒精灯的灯芯与高温传感器探针顶端相贴。点燃酒精灯,待火焰稳定后,点击“自动记录”栏中的“开始”,采集温度数据。采集时间到60s后点击“自动记录”栏中的“结束”,点击“数据分析”中的“求平均”图标,获得此高度60s内所测量的平均温度,并记录在表1中。(4)参照升降台台面与钢尺的刻度对应关系,通过旋钮下调升降台高度来调节酒精灯灯芯与高温传感器探针顶端的距离,每次以5mm为单位。点击实验软件左方“新建”图标,弹出对话框时选择“否”,不保存表格,再次点击“自动记录”栏中的“开始”,采集温度数据。60s后点击“自动记录”栏中的“结束”,点击“数据分析”中的“求平均”图标,获得此部位60s内所测量的平均温度并记录在表1相应位置中。(5)重复步骤4,采集每次相差5mm火焰的温度数据,直到高温传感器探针顶端超出火焰的内焰与外焰分界处(火焰内焰的黄色外边缘处)1cm时测量结束。测量时注意观察酒精灯火焰的焰心、内焰、外焰的位置范围,并在表1中表示出来。实验平行地进行3次。(6)数据测量结束后进行数据处理。3数据分析与讨论3.1焰心、内焰和外焰的出现位置由于本实验测定的是同一盏酒精灯,所以在3次平行实验中,火焰的焰心、内焰、外焰出现的位置高度没有发生变化,并且在高温传感器探针顶端伸入火焰中进行测量时,火焰的焰心、内焰、外焰位置高度也没有发生明显改变。通过观察并测量得到:焰心出现在0~40mm高度范围内,内焰出现在40~65mm高度范围内,外焰出现在65~75mm高度范围内(以上均以灯芯平面作为高度参考面)。3.2外焰的温度是不是最高由表1数据可知:酒精灯3层火焰平均温度分别为焰心596.7℃、内焰776.5℃、外焰724.6℃,则酒精灯3层火焰温度的大小关系为:焰心<外焰<内焰。多少年来,不论是教科书还是有关手册,一般都认为酒精灯的外焰温度最高,其原因是酒精蒸气在外焰燃烧最充分。但实际上,这仅是问题的一个方面;从另一方面来分析,正是由于外焰与外界空气充分接触,燃烧时外焰和外界空气的能量交换多,热量散失多。焰心部位因空气较稀薄,酒精蒸气燃烧不充分,因此焰心的温度不高。内焰酒精蒸气稳定,与空气接触适中,燃烧较充分,发出的光也最明亮,因此酒精灯火焰的最高温度并不是在外焰,而是出现在内焰。此结论也已得到华南师范大学化学与环境学院钱杨义老师“利用手持技术探究酒精灯火焰的温度”实验的证实。所以实验证明“越往外焰酒精燃烧越充分,放出的热量就越多,温度也就越高”的说法是不正确的。综合酒精灯火焰的燃烧程度和散热效果等情况,可以得出酒精灯火焰各层的温度大小关系应该是:焰心温度<外焰温度<内焰温度。3.3火焰的最高温度火焰的最高温度是一个瞬时的数值,受诸多因素的影响,如酒精的纯度、酒精的蒸发情况、室温、空气对流等,且不同的酒精灯所能获得的最高温度也不相同。本实验使用的酒精灯在3次平行实验中,测量到火焰的最高平均温度都出现在内焰,其出现位置见表2的比较。因此,在使用该酒精灯时要注意仪器被加热的部位与酒精灯灯芯的距离保持在55~60mm的范围,利用“外焰和内焰”一起加热才最有效率。3.4几点说明要测量酒精灯各层火焰的温度,便要找出影响火焰温度的可能因素,通过归纳,测量时要控制的影响因素主要有:(1)灯芯暴露在空气中的长度、宽度不同,火焰温度可能不同。本实验用的酒精灯参数如图2所示。(2)灯壶内酒精的体积不同,火焰温度可能不同。本实验用的酒精灯的灯壶总容量为187mL,装有120mL的酒精,约为总容量的2/3,且平行实验开始时都装有相同量的酒精。(3)酒精的浓度不同,火焰温度可能不同。一般以95%的酒精作为燃料,而本实验中酒精浓度为80%。酒精浓度降低到80%完全可以提供实验所需热量。中学化学和生物实验绝大部分使用酒精灯来做试管实验,所加热的溶液的量一般只有几毫升,所以降低酒精浓度,尽量使酒精燃烧的更完全,丝毫不会影响实验效果;同时由于酒精燃烧的更完全,给试管等被加热仪器的底部造成的污染也大为减轻,清洗起来也更加省水省力。(4)火焰周围空气的温度及其对流程度不同,火焰温度可能不同。本实验所在室温为22℃,室内无风,火焰周围敞开。实验中测量各测温点的平均温度时,由于酒精灯火焰偶有飘动,火焰不稳定,所测得火焰同一位置的平均温度相差很大,当差值大于30℃时则舍去无效的数据。(5)考虑到在使