傳熱與物態變化 · HeatLab

溫度計的使用

實驗室常用的液體溫度計是根據液體熱脹冷縮的規律製成的：玻璃泡裡的液體受熱膨脹，沿細管上升。

使用時：① 先看清量程和分度值；② 玻璃泡要全部浸入被測液體，不能碰到容器底或容器壁；③ 浸入後要稍等一會兒，待示數穩定後再讀；④ 讀數時玻璃泡要繼續留在液體中，視線要與液柱的上表面相平。

試著把玻璃泡碰到杯底（杯底貼著加熱台，比水熱），或者提出液麵；再換成俯視、仰視，看看讀出的數偏大還是偏小。

攝氏溫度

溫度表示物體的冷熱程度。常用的單位是攝氏度（°C）。

攝氏溫標規定：在標準大氣壓下，冰水混合物的溫度為 0 °C，沸水的溫度為 100 °C；0 °C 和 100 °C 之間分成 100 等份，每一份就是 1 °C。

把溫度計依次放進三隻燒杯，看液柱停在哪裡。低於 0 °C 的溫度讀作“零下”，例如 −5 °C 讀作“零下 5 攝氏度”。

熔化和凝固

物質從固態變成液態叫熔化，從液態變成固態叫凝固。

把裝著海波的試管放進熱水裡加熱（水浴法：受熱均勻、升溫緩慢），每隔一段時間記一次溫度，右側畫出溫度–時間圖像。

海波熔化時溫度保持 48 °C 不變——這個溫度叫熔點，試管裡固液共存；全部熔化後溫度才繼續上升。石蠟沒有確定的熔點：它先變軟、變稀，溫度一直在上升。

有確定熔化溫度的固體叫晶體，沒有的叫非晶體。熔化要吸熱，凝固要放熱；同一種晶體的凝固點和熔點相同。點“停止加熱”，看看凝固的過程。

水的沸騰

沸騰是在液體內部和表面同時發生的劇烈的汽化現象。

加熱時觀察氣泡：沸騰前，杯底產生的氣泡在上升過程中越來越小（上層的水溫度低，氣泡裡的水蒸氣遇冷液化）；沸騰時，大量氣泡上升、變大，到水面破裂開來。

液體沸騰時的溫度叫沸點。沸騰過程中繼續吸熱，溫度保持不變；撤去熱源（點“停止加熱”），沸騰很快停止。

沸點與氣壓有關：氣壓越高，沸點越高。高原上氣壓低，水不到 100 °C 就沸騰，飯煮不熟；高壓鍋裡氣壓高，沸點可達 120 °C。

蒸發和液化

物質從液態變成氣態叫汽化，汽化有蒸發和沸騰兩種方式。蒸發只在液體表面進行，在任何溫度下都能發生。

用酒精棉包住一支溫度計的玻璃泡：酒精蒸發時從玻璃泡吸熱，示數下降；酒精蒸發完以後，示數又慢慢回到室溫。

影響蒸發快慢的因素：液體的溫度越高、表面積越大、表面上方空氣流動越快，蒸發越快。扇扇子覺得涼快，就是加快了汗液的蒸發。

物質從氣態變成液態叫液化，液化放熱。把冷玻璃片放到沸水上方：水蒸氣遇冷液化成小水珠。壺嘴冒出的“白氣”也不是水蒸氣，而是水蒸氣液化成的小水珠。

昇華和凝華

物質從固態直接變成氣態叫昇華，從氣態直接變成固態叫凝華。昇華吸熱，凝華放熱。

把密封著少量碘顆粒的碘錘放進熱水裡：碘顆粒變少，錘內出現紫色的碘蒸氣。取出來冷卻，碘蒸氣在玻璃上凝華成細小的碘晶體。

為什麼用熱水浴？碘的熔點約 114 °C，熱水不到 100 °C，碘不會熔化，看到的紫色氣體只能是碘直接昇華來的。改成“直接加熱”，溫度超過熔點，碘會先熔化成液體再汽化，就說明不了昇華了。

生活中：樟腦丸變小、冬天冰凍的衣服變幹是昇華；霜、霧凇、窗戶上的冰花是凝華。

比較不同物質的吸熱能力

用兩個相同的電加熱器，分別加熱質量相同的水和煤油：相同時間裡兩種物質吸收的熱量相同（控制變量）。

右側的溫度–時間圖像：煤油升溫快，水升溫慢。要升高相同的溫度，水需要加熱更長時間、吸收更多的熱量——水的吸熱能力更強。

物理學用比熱容表示物質的吸熱能力：一定質量的某種物質，溫度升高時吸收的熱量與它的質量和升高的溫度乘積之比。水的比熱容是 4.2×10³ J/(kg·°C)，煤油約 2.1×10³ J/(kg·°C)，沙石約 0.92×10³ J/(kg·°C)。

Q = c m Δt

所以沿海地區晝夜溫差小，內陸沙漠晝夜溫差大；汽車發動機用水來冷卻。

熱傳導

熱量從物體溫度高的部分沿著物體傳到溫度低的部分，叫熱傳導。

四根粗細、長短相同的銅棒、鋁棒、鐵棒和玻璃棒，一端插在同一個熱源裡，棒上每隔一段用蠟粘著一根火柴。熱量沿棒傳過去，蠟熔化，火柴依次掉落。

銅棒上的火柴掉得最快、最多，鋁次之，鐵較慢，玻璃棒上的火柴始終不掉：金屬是熱的良導體，其中銅、鋁導熱最好；玻璃、木頭、塑料、空氣是不良導體。

切換到熱成像，可以看到溫度沿著棒一點點傳過去。鍋鏟裝木柄、冬天穿羽絨服（裡面有大量空氣），都是利用了不良導體。

熱對流

液體和氣體中，較熱的部分上升、較冷的部分下降，循環流動，使溫度趨於均勻，這種傳熱方式叫對流。

在燒杯一側的底部加熱，並在杯底投入幾粒高錳酸鉀：紫色的細流先在加熱的一側上升，到水面後流向另一側，再從另一側下沉，形成一個環流。

加熱功率越大，對流越快；停止加熱，流動慢慢停下來。

暖氣片裝在窗戶下面、空調裝在房間上方，燒水時從壺底加熱，都是為了利用對流。

熱輻射

熱量不依靠介質、直接由高溫物體以電磁波的形式向外傳遞，叫熱輻射。太陽的熱就是這樣穿過真空傳到地球上的。

檯燈同時照射一隻黑色罐子和一隻白色（光亮）罐子，罐裡裝著等量的水：黑罐升溫明顯更快——顏色越深、表面越粗糙，吸收熱輻射的本領越強。關燈後，黑罐降溫也更快：善於吸收的物體也善於輻射。

保溫瓶把三種傳熱方式都擋住了：雙層玻璃之間抽成真空，阻斷傳導和對流；玻璃上鍍銀，把熱輻射反射回去；瓶塞減少對流和蒸發。比較普通瓶、真空瓶、真空鍍銀瓶裡熱水的降溫快慢。

從冰到沸騰

把一杯 −20 °C 的碎冰放在加熱台上一直加熱，右側畫出完整的溫度–時間曲線：

① 冰升溫到 0 °C；② 冰熔化，溫度停在 0 °C（冰是晶體，熔點 0 °C）；③ 水升溫到 100 °C；④ 水沸騰，溫度停在 100 °C，水越來越少。

兩段平台都在吸熱，吸收的熱量用來改變物質的狀態，而不是升高溫度。比較兩段平台的長短：汽化 1 kg 水所需的熱量（約 2.26×10⁶ J）是熔化 1 kg 冰（約 3.34×10⁵ J）的將近 7 倍。

改變加熱功率和冰的初溫，看看曲線怎樣變化。