传热与物态变化 · HeatLab

温度计的使用

实验室常用的液体温度计是根据液体热胀冷缩的规律制成的：玻璃泡里的液体受热膨胀，沿细管上升。

使用时：① 先看清量程和分度值；② 玻璃泡要全部浸入被测液体，不能碰到容器底或容器壁；③ 浸入后要稍等一会儿，待示数稳定后再读；④ 读数时玻璃泡要继续留在液体中，视线要与液柱的上表面相平。

试着把玻璃泡碰到杯底（杯底贴着加热台，比水热），或者提出液面；再换成俯视、仰视，看看读出的数偏大还是偏小。

摄氏温度

温度表示物体的冷热程度。常用的单位是摄氏度（°C）。

摄氏温标规定：在标准大气压下，冰水混合物的温度为 0 °C，沸水的温度为 100 °C；0 °C 和 100 °C 之间分成 100 等份，每一份就是 1 °C。

把温度计依次放进三只烧杯，看液柱停在哪里。低于 0 °C 的温度读作“零下”，例如 −5 °C 读作“零下 5 摄氏度”。

熔化和凝固

物质从固态变成液态叫熔化，从液态变成固态叫凝固。

把装着海波的试管放进热水里加热（水浴法：受热均匀、升温缓慢），每隔一段时间记一次温度，右侧画出温度–时间图像。

海波熔化时温度保持 48 °C 不变——这个温度叫熔点，试管里固液共存；全部熔化后温度才继续上升。石蜡没有确定的熔点：它先变软、变稀，温度一直在上升。

有确定熔化温度的固体叫晶体，没有的叫非晶体。熔化要吸热，凝固要放热；同一种晶体的凝固点和熔点相同。点“停止加热”，看看凝固的过程。

水的沸腾

沸腾是在液体内部和表面同时发生的剧烈的汽化现象。

加热时观察气泡：沸腾前，杯底产生的气泡在上升过程中越来越小（上层的水温度低，气泡里的水蒸气遇冷液化）；沸腾时，大量气泡上升、变大，到水面破裂开来。

液体沸腾时的温度叫沸点。沸腾过程中继续吸热，温度保持不变；撤去热源（点“停止加热”），沸腾很快停止。

沸点与气压有关：气压越高，沸点越高。高原上气压低，水不到 100 °C 就沸腾，饭煮不熟；高压锅里气压高，沸点可达 120 °C。

蒸发和液化

物质从液态变成气态叫汽化，汽化有蒸发和沸腾两种方式。蒸发只在液体表面进行，在任何温度下都能发生。

用酒精棉包住一支温度计的玻璃泡：酒精蒸发时从玻璃泡吸热，示数下降；酒精蒸发完以后，示数又慢慢回到室温。

影响蒸发快慢的因素：液体的温度越高、表面积越大、表面上方空气流动越快，蒸发越快。扇扇子觉得凉快，就是加快了汗液的蒸发。

物质从气态变成液态叫液化，液化放热。把冷玻璃片放到沸水上方：水蒸气遇冷液化成小水珠。壶嘴冒出的“白气”也不是水蒸气，而是水蒸气液化成的小水珠。

升华和凝华

物质从固态直接变成气态叫升华，从气态直接变成固态叫凝华。升华吸热，凝华放热。

把密封着少量碘颗粒的碘锤放进热水里：碘颗粒变少，锤内出现紫色的碘蒸气。取出来冷却，碘蒸气在玻璃上凝华成细小的碘晶体。

为什么用热水浴？碘的熔点约 114 °C，热水不到 100 °C，碘不会熔化，看到的紫色气体只能是碘直接升华来的。改成“直接加热”，温度超过熔点，碘会先熔化成液体再汽化，就说明不了升华了。

生活中：樟脑丸变小、冬天冰冻的衣服变干是升华；霜、雾凇、窗户上的冰花是凝华。

比较不同物质的吸热能力

用两个相同的电加热器，分别加热质量相同的水和煤油：相同时间里两种物质吸收的热量相同（控制变量）。

右侧的温度–时间图像：煤油升温快，水升温慢。要升高相同的温度，水需要加热更长时间、吸收更多的热量——水的吸热能力更强。

物理学用比热容表示物质的吸热能力：一定质量的某种物质，温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比。水的比热容是 4.2×10³ J/(kg·°C)，煤油约 2.1×10³ J/(kg·°C)，沙石约 0.92×10³ J/(kg·°C)。

Q = c m Δt

所以沿海地区昼夜温差小，内陆沙漠昼夜温差大；汽车发动机用水来冷却。

热传导

热量从物体温度高的部分沿着物体传到温度低的部分，叫热传导。

四根粗细、长短相同的铜棒、铝棒、铁棒和玻璃棒，一端插在同一个热源里，棒上每隔一段用蜡粘着一根火柴。热量沿棒传过去，蜡熔化，火柴依次掉落。

铜棒上的火柴掉得最快、最多，铝次之，铁较慢，玻璃棒上的火柴始终不掉：金属是热的良导体，其中铜、铝导热最好；玻璃、木头、塑料、空气是不良导体。

切换到热成像，可以看到温度沿着棒一点点传过去。锅铲装木柄、冬天穿羽绒服（里面有大量空气），都是利用了不良导体。

热对流

液体和气体中，较热的部分上升、较冷的部分下降，循环流动，使温度趋于均匀，这种传热方式叫对流。

在烧杯一侧的底部加热，并在杯底投入几粒高锰酸钾：紫色的细流先在加热的一侧上升，到水面后流向另一侧，再从另一侧下沉，形成一个环流。

加热功率越大，对流越快；停止加热，流动慢慢停下来。

暖气片装在窗户下面、空调装在房间上方，烧水时从壶底加热，都是为了利用对流。

热辐射

热量不依靠介质、直接由高温物体以电磁波的形式向外传递，叫热辐射。太阳的热就是这样穿过真空传到地球上的。

台灯同时照射一只黑色罐子和一只白色（光亮）罐子，罐里装着等量的水：黑罐升温明显更快——颜色越深、表面越粗糙，吸收热辐射的本领越强。关灯后，黑罐降温也更快：善于吸收的物体也善于辐射。

保温瓶把三种传热方式都挡住了：双层玻璃之间抽成真空，阻断传导和对流；玻璃上镀银，把热辐射反射回去；瓶塞减少对流和蒸发。比较普通瓶、真空瓶、真空镀银瓶里热水的降温快慢。

从冰到沸腾

把一杯 −20 °C 的碎冰放在加热台上一直加热，右侧画出完整的温度–时间曲线：

① 冰升温到 0 °C；② 冰熔化，温度停在 0 °C（冰是晶体，熔点 0 °C）；③ 水升温到 100 °C；④ 水沸腾，温度停在 100 °C，水越来越少。

两段平台都在吸热，吸收的热量用来改变物质的状态，而不是升高温度。比较两段平台的长短：汽化 1 kg 水所需的热量（约 2.26×10⁶ J）是熔化 1 kg 冰（约 3.34×10⁵ J）的将近 7 倍。

改变加热功率和冰的初温，看看曲线怎样变化。