液体沸腾现象的观察和解释.doc

液体沸腾现象的观察和解释摘要:在高级中学开展课题研究,是全面培养学生综合运用所学知识能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力及团结协作能力的重要环节，这项活动还有利于培养学生独立思考的习惯，激发学生创新意识。对此，选择了“液体沸腾现象”为课题，学生通过对现象的观察及原因的解释，培养观察能力，扩展了学生知识面，激发了学生学习兴趣，增强了学生创新意识。关键词：课题研究 能力 液体沸腾 创新烧水过程中产生的现象以及由这些现象引起的疑问是很多的，但却为何对常见的显得无知？原因就在于平常没有对铁壶烧水的过程进行仔细观察，从而认识肤浅。为此，我组织了一次课外活动，重做实验，并让学生仔细观察，要求在观察的基础上，带着问题进行思考，并要求学生查找资料，对所遇问题及现象进行解释。实践证明，这样做的结果：一是学生对现象的了解清楚了，对沸腾的认识具体了、深化了；二是培养了学生们注意观察、积极思考的习惯；三是同学们对学好物理的方法即“一观察，二思考，三运用”有了更亲切的感受；四是激发了学生的学习兴趣，扩展了学生知识面。为保护学生的积极性、满足求知欲望，下面就沸腾过程中产生的主要现象作一概括并对其产生原因作一简释。液体（如水）在沸腾过程中会发生哪些现象呢？装置如图1所示，包括铁架、酒精灯、烧杯及二支温度计。其中一支温 度计插入上层水中，另一支温度计插入下层水中。 然后让学生分组进行仔细观察。通过对冷水加热至沸腾全过程的观察，看到、听到的现象是很多 的，概括起来，主要的现象有： （一）随着冷水被逐渐加热，可见： a、器壁上出现小气泡。b、小气泡由小变大 仍处于不动。C、较大气泡脱离器壁在水中上浮。（二）水沸腾之前，通过二支温度计读数可知杯内下层水温高于上层；随着加热，温差越来越小；至水开时，可知杯内上下层水温趋于相同。（三）水沸腾前，如图2（a）所示，可见：（a）气泡在上升中体积变小；（b）液面上方只有小许“白气”；（c）水快沸腾但未沸腾之前，听见有很响的嘶嘶叫声。水沸腾时，如 图2（b）所示。可见： （a） 气泡在上升中体积变大；（b） 液面上方冒有大量“白气”；（c） 水沸腾时，声音变成哗啦哗啦的了 图那么，这些现象又是怎样产生的呢？ （一）a、气泡产生的根源和成份：容器的器壁和液体中杂质的表面上，都吸附有大量空气分子，同时，液体中还溶解有空气。加热器壁和液体时，这些气体分子不断地析出，形成气泡。起始，气泡中都是空气分子，没有液体分子，所以周围的液体分子要向泡内蒸发；又由于气泡周围均是液体，相当于长时间跟液体处在密闭容器里的蒸气，因此，气泡中除空气外还有液体（水）的饱和汽。（二）b、小气泡由小变大仍处于不动的原因：在说明原因之前，先说明小气泡所受的压强。小气泡可视为球形，气泡内空气可视为理想气体。小气泡受内压强和外压强二部分。其中内压强包括气泡内空气的压强（M/ uv） RT和气泡内饱和水汽的压强（P饱）。P空随气泡温度T和体积V面变化。P饱与气泡的温度和气液分界面的形状有关。但在一般情况下，分界面的形状对饱和汽压的影响很小，可忽略不计。故认为P饱只与温度T有关，且由实验知P饱与温度T是非线性关系，P饱随T降低而迅速变小。气泡所受外压强包括液面上大气压强P0、容器内液体的静压强（P静=gh）、气泡表面张力引起的附加压强（P附= 2/ r）（是液体的表面张力系数，r是气泡半径。P0可视为不变，P静随h面变化，P附随r而变化。当小气泡处于平衡时，所受内外压强相等，即：（M/ uv） RT + P饱 = P0 + gh + 2/ r 也即：（M/ uv） RT + P饱 = P0 + gh + / V1/3 其中 =2（4/3）1/3现在来说明随着冷水被逐渐加热，何以小气泡由小变大仍处于原处不动。当气泡温度随着水温而升高时；液面上方大气压强P0和容器内液体的静压强P饱基本不变。 气泡内饱和水汽压强P饱最大。原因是随着水温升高水分子运动加剧，使得单位时间内不仅跑出液面进入气泡的分子个数增多，而且进入气泡的分子平均速率也增大，从而使饱和汽压变大，气泡内空气压强P空也增大。与此同时，由于气泡所受内压强大于外压强以及水不断变为汽（气泡内原来较低温度下的饱和水汽由于温度升高变为未饱和水汽，从而使气泡周围的水不断向泡内蒸发）这样二个原因使得气泡由小变大。由于气泡体积的变大，导致泡内空气压强P空和附加压强P附均减少，而且空气压强P空=（M/ uv） RT比附加 压强（/ V1/3）减少得要快些。因此，根据：（M/ uv） RT + P饱 =（ P0+gh）/ V1/3+/ V1/3 （快） （不变） （慢）可见，P空与P饱之和能在更高温度下维持与P0+gh+/ V1/3相等，即气泡处于平衡，但小的气泡变成了较大气泡。并且，随着水温不断地升高，P饱也不断增加，水也不断地向泡内蒸发，从而气泡也不断地变得更大，但是只要P饱小于（P0+gh），气泡内外压强就仍可达到平衡。至于气泡在器壁上不动乃是因为此时气泡所受浮力与器壁对气泡的附着力平衡所致。（一）c、气泡上浮原因：随着水温升高，气泡体积变大，所受浮力增加。当气泡体积增大到一定程度时，气泡所受浮力大于器壁或杂质微粒上的附着力时，气泡便沿容器壁或微粒上升。（二）为何上、下层水温差随着加热的进行越来越小？开始加热时：由于下层水通过器底直接与火焰接触，而上层水未直接与火焰接触，所以此时下层水温高，上层水温低，且温差最大；加热一段时间后：虽然水是热的不良导体但毕竟有热量通过水从下层传导到上层；虽然水的对流不明显但毕竟有热水上升冷水下降的对流发生；此时还有少许热气泡脱离器底浮到上边的冷水层，把热量传给冷水。故加热一段时间后，上下层水温温差变小；从对水开始加热至水即将沸腾，由于水的传导，对流的长时间作用以及越来越多的热气泡上升放热，使得大量的热从水的下层传递到了上层，从而水沸腾时上下层水温趋于相同。（三）a、为何水沸腾前液面上方只有少许“白气”，而水开时液面上方冒有大量“白气”？“白气”实际是水蒸气在液面上方的空中受冷凝结成的许许多多的极小的小水点悬浮在空气中构成的，即雾。由于它们很小很小，又聚集得非常密，经散射，所以看上去便是为白色，不透明的；又由于它们在空气中飘浮扩散，所以看起来像气的样子。因此，上述现象实际即指水沸腾前气泡上升至液面放出的主要是空气，水沸腾时气泡上升至液面放出的主要是水蒸气。那么，为何如此？水沸腾前，气泡在上升过程中，气泡内的饱和水汽由于降温（水沸腾前，上层水温低于下层）和减体（水沸腾前，气泡在上升中体积变小）变成过饱和水汽。过饱和水汽是一种不稳定的状态，很快会有一部分水汽分子凝结成水。从而气泡内水汽在气泡上升中不断地减少，致使气泡在到达液面破裂时放出极少水汽，主要是空气。水开时，P饱等于（P0+gh），气泡内压强大于外压强，杯底大量气泡剧烈膨胀，附近大量的水变为水蒸气进入气泡，使得每个气泡中含有大量饱和水汽，并且一个个气泡在上升过程中由于体积变大，使得气泡内的饱和水汽变成未饱和水汽，致使周围的水不断地向气泡内蒸发，从而气泡内的水汽在气泡上升中一直不断地增加，最后导致大气泡到达液面破裂时，放出极少空气，主要是大量水汽。（三）b、为何水沸腾前气泡在上升中体积变小，而水沸腾时气泡在上升中体积变大？我们可以根据气泡所受压强的变化和气泡内水汽的凝结、蒸发来进行解释。水沸腾前，气泡在上升中体积之所以变小，一方面是由于气泡在上升过程中，泡内水汽不断地发生凝结造成；另一方面是由于上升中气泡所受外压强大于内压强造成。后一原因具体讲即，根据（M/ uv） RT + P饱 = P0 + gh + 2/ r 考虑到gh和2/ r 在气泡上升中的变化是相互抵消且远小于液面上方 大气压强P0，故此二项略去不计，有（M/ uv） RT + P饱= P0,即:V=MRT/(P0 - P饱),水沸腾前,气泡上升中,温度T变小, P饱随着变小,而(P0 - P饱)变大,故由式中可知V变小。水沸腾时，气泡在上升中体积之所以变大，一方面是由于气泡在上升过程中，气泡周围的水不断地向泡内蒸发造成；具体讲，即根据前式有 V= MRT/( P0 - P饱+gh + 2/r) ，当水沸腾时，上、下层水温趋于相同，气泡上升中温度T不变，亦即P饱不变，而gh随h变小、2/ r ，随r变大均减小，即（P0-P饱+gh+2/r）变小，故由式中可知V变大。 （三）c、水开前和水开时，响声的来源：水开前，附着在器壁和杂质上的气体分子不断析出形成气泡