關於此實驗
水是最容易觀察到三種狀態的物質：固態的冰、液態的水，以及稱為水蒸氣的氣態物質。將裝有-20 °C冰塊的燒瓶放在熱板上加熱。觀察溫度計、冰塊、氣泡以及收集水蒸氣的氣球，並放大觀察粒子在做什麼。加熱曲線顯示了一個令人驚訝的現象：冰融化時以及水沸騰時，溫度都完全不變。
學習目標
- 說出物質的三種狀態，並分別舉一個例子
- 描述固體、液體和氣體中的粒子如何排列和運動
- 正確使用融化、凝固、沸騰、蒸發和凝結這些詞
- 記住，在標準大氣壓下，純水在0 °C時融化，在100 °C時沸騰
- 解釋狀態改變時溫度保持不變這個現象。
使用方法
- 1按下「開始加熱」。觀察溫度計上升，直到達到0 °C。冰塊和粒子會發生什麼變化？
- 2冰融化時繼續加熱。觀察溫度。燒瓶裡還有冰時，溫度會升高嗎？
- 3將水加熱到100 °C。描述氣泡的情況。氣泡裡面是什麼？
- 4觀察水沸騰時氣球的變化。燒瓶裡什麼也沒有添加，氣球為什麼會變大？
- 5將加熱板切換到「冷卻」。將影片倒著播放：水蒸氣去了哪裡？冰什麼時候再次出現？
- 6觀察加熱曲線。融化冰和使水沸騰蒸發，哪一個需要更多熱量？
模型
假設
- 燒瓶以氣球封住，因此水不會逸出，水蒸氣保持在正常大氣壓下。
- 電熱板產生的熱量全部傳遞到水中。在真實的實驗室裡，部分熱量會散失到空氣和玻璃中。
- 使用的數值：冰的比熱容為 2.1 J/(g·°C)，水為 4.18，水蒸氣為 2.0；融化冰需要 334 J/g，使水沸騰需要 2257 J/g。
- 粒子圖將每個粒子畫成一個小球。這是一種模型：真實的水分子小到無法看見，而且數量多得多。
在課堂上試試這個實驗
- Q1冰淇淋在手裡會融化，在冰箱冷凍庫裡卻不會。兩者有什麼不同？
- Q2水坑在晴天會消失，溫度卻從未達到 100 °C。水到哪裡去了？
- Q3為什麼冰涼果汁杯的外側會出現水滴？
- Q4水壺上方看到的白色雲霧是水蒸氣嗎？請說明這團雲霧實際上是什麼。
- Q5為什麼把一鍋水煮乾所需的時間，遠比把水燒開所需的時間長？
常見問題
冰融化時，溫度為什麼會停止上升？
在冰中，粒子以一定的排列方式結合在一起。融化意味著這種排列被打破，熱板傳來的熱量都用於打破這種排列，而不是讓粒子運動得更快。只有當冰全部融化後，溫度才會再次開始上升。
沸騰和蒸發有什麼區別？
兩者都會將液態水變成氣體。蒸發會在任何溫度下緩慢地發生在液體表面。沸騰則會在100 °C時發生於液體各處，因此底部會形成水蒸氣氣泡。
水蒸氣看得見嗎？
看不見。真正的水蒸氣，也就是氣態的水，是無形的。水壺上方的白霧是水蒸氣在空氣中冷卻時形成的微小液態水滴。
水總是在100 °C時沸騰嗎？
只有在海平面的正常氣壓下才是如此。在高山上，氣壓較低，水會在較低的溫度下沸騰；在聖母峰頂，沸點約為70 °C。