關於此實驗
將從冷凍庫取出的冰放在熱板上，每分鐘讀取一次溫度計。溫度先上升，接著在冰融化時停在 0 °C，之後再次上升，並在水沸騰時第二次停止上升。本實驗會即時繪製加熱曲線，並顯示內部粒子的狀態。你可以改變質量、加熱器功率和初始溫度，也可以把實驗移到山上進行，因為那裡的水會在低於 100 °C 的溫度下沸騰。
學習目標
- 描述加熱曲線的形狀，並說出水在每一段所處的狀態
- 解釋為什麼物質在熔化或沸騰時溫度保持不變
- 使用 Q = mcΔT 和 Q = mL 計算每個階段所需的能量
- 比較融化冰所需的能量與水沸騰所需的能量
- 說明沸點與氣壓的關係
使用方法
- 1按下「加熱」並觀察溫度計。在圖表的每一段平坦部分暫停，並描述容器中有什麼。
- 2使用粒子檢視畫面描述粒子在每種狀態下的排列和運動如何變化。
- 3比較兩段平坦部分的長度。哪種狀態變化需要更多能量？查看讀數進行確認。
- 4將冰的質量加倍。曲線的哪些部分會變長？接著將加熱器功率加倍。
- 5比較冰、水和水蒸氣部分的斜率。哪種物質的比熱容最大？
- 6將海拔升至聖母峰頂（8849 m）。找出新的沸點，並解釋為什麼在那裡煮義大利麵需要更長時間。
模型
假設
- 假設沒有熱量散失到周圍環境中，而且加熱器的功率全部傳遞給水。
- 容器由活塞密封，因此蒸氣會在恆定壓力下留在容器內，並可繼續加熱。在敞口燒杯中，蒸氣會逸出，因此看不到曲線的最後一段。
- 水經過攪拌，因此整個樣品的溫度相同。比熱容和潛熱均視為常數。
- 氣壓隨海拔升高而降低，其尺度高度為 8.4 km。熔點幾乎不受壓力影響，因此設為 0 °C。
- 粒子示意圖呈現的是粒子的排列和相對速度，並非分子模擬。
在課堂上試試這個實驗
- Q1融化 0 °C 的 0.2 kg 冰需要多少能量？
- Q2一個功率為1500 W的熱水壺裝有1.2 kg、溫度為20 °C的水。如果沒有熱量散失，水需要多久才能升至100 °C？
- Q3為什麼100 °C的蒸氣造成的燙傷，比100 °C的沸水造成的燙傷更痛？
- Q4儘管使用的是同一個加熱器，液態水對應的線為什麼比冰對應的線平緩？
- Q5在實際實驗中，熔化階段的曲線通常會傾斜，而不是平坦的。請提出兩個可能的原因。
常見問題
溫度不變時，能量去了哪裡？
它增加了粒子的位能。熔化和沸騰會使粒子克服彼此間的吸引力而分開，因此能量被儲存起來，而不是用來使粒子運動得更快。當蒸氣凝結或水結冰時，這些儲存的能量會再次釋放出來。
為什麼沸騰所需的時間比熔化長得多？
熔化只會使晶體結構鬆散；液態水中的粒子仍然彼此接觸。沸騰則會使粒子完全分開，每公斤所需的能量幾乎是熔化時的7倍（2260 kJ，而熔化只需334 kJ）。
我可以在課堂上做這個實驗嗎？
可以。將碎冰放入燒杯中，使用攪拌棒和溫度計，在本生燈或電熱板上加熱。每隔30秒測量一次，直到水沸騰幾分鐘。由於燒杯會散熱，而且其中的水混合不均勻，預期溫度平台不會像這裡顯示的那樣明顯。