关于此实验
把从冰箱冷冻室取出的冰放在热板上，每分钟读取一次温度计。温度先升高，然后在冰融化时停在 0 °C，之后再次升高，并在水沸腾时第二次停止上升。本实验会实时绘制加热曲线，并显示内部粒子的状态。你可以改变质量、加热器功率和初始温度，也可以把实验搬到山上，那里水会在低于 100 °C 的温度下沸腾。
学习目标
- 描述加热曲线的形状，并说出水在每一段所处的状态
- 解释为什么物质在熔化或沸腾时温度保持不变
- 使用 Q = mcΔT 和 Q = mL 计算每个阶段所需的能量
- 比较熔化冰所需的能量与水沸腾所需的能量
- 说明沸点与气压的关系
使用方法
- 1点击“加热”并观察温度计。在图表的每一段平坦部分暂停，并描述容器中有什么。
- 2使用粒子视图描述粒子在每种状态下的排列和运动如何变化。
- 3比较两段平坦部分的长度。哪种状态变化需要更多能量？查看读数进行验证。
- 4将冰的质量加倍。曲线的哪些部分会变长？然后将加热器功率加倍。
- 5比较冰、水和水蒸气部分的斜率。哪种物质的比热容最大？
- 6将海拔升至珠穆朗玛峰顶（8849 m）。找出新的沸点，并解释为什么在那里煮意大利面需要更长时间。
模型
假设
- 假设没有热量散失到周围环境中，并且加热器的功率全部传递给水。
- 容器由活塞密封，因此蒸汽会在恒定压力下留在容器内，并可以继续加热。在敞口烧杯中，蒸汽会逸出，因此看不到曲线的最后一段。
- 水经过搅拌，因此整个样品的温度相同。比热容和潜热均视为常数。
- 气压随海拔升高而降低，其尺度高度为 8.4 km。熔点几乎不受压力影响，因此设为 0 °C。
- 粒子示意图展示的是粒子的排列和相对速度，并非分子模拟。
在课堂上试试这个实验
- Q1融化 0 °C 的 0.2 kg 冰需要多少能量？
- Q2一个功率为1500 W的水壶装有1.2 kg、温度为20 °C的水。如果没有热量损失，水需要多长时间才能升至100 °C？
- Q3为什么100 °C的蒸汽造成的烫伤比100 °C的沸水造成的烫伤更疼？
- Q4尽管使用的是同一个加热器，液态水对应的线为什么比冰对应的线更平缓？
- Q5在实际实验中，熔化阶段的曲线通常会倾斜，而不是平坦的。请提出两个可能的原因。
常见问题
温度不变时，能量去了哪里？
它增加了粒子的势能。熔化和沸腾会使粒子克服彼此间的吸引力而分开，因此能量被储存起来，而不是用来使粒子运动得更快。当蒸汽凝结或水结冰时，这些储存的能量会再次释放出来。
为什么沸腾所需的时间比熔化长得多？
熔化只会使晶体结构松散；液态水中的粒子仍然彼此接触。沸腾则会使粒子完全分开，每千克所需的能量几乎是熔化时的7倍（2260 kJ，而熔化只需334 kJ）。
我可以在课堂上做这个实验吗？
可以。将碎冰放入烧杯中，使用搅拌棒和温度计，在本生灯或电热板上加热。每隔30秒测量一次，直到水沸腾几分钟。由于烧杯会散热，且其中的水混合不均匀，预计温度平台不会像这里显示的那样明显。