酒精燈加熱實驗的探究

酒精燈是大多數用于化學實驗的加熱設備。酒精燈的火焰可以分為焰心、內焰和外焰3部分。焰心是我們觀察到的比較暗的部分,內焰是最明亮的部分,呈黃色,外焰顏色比內焰淡,而且常飄忽不定。一般認為酒精燈的火焰溫度在400~500℃左右,最高可達800℃,并且焰心、內焰和外焰的溫度依次升高,其理論依據是:外焰燃燒充分,溫度最高。因此在要用到酒精燈加熱的實驗中,都強調要用外焰加熱。多少年來,不論是教科書還是有關手冊,一般都認為酒精燈的外焰溫度最高。教師在教學中也會不折不扣地將這一知識傳遞給學生,絕大部分學生能較好地掌握這一知識。那么事實果真如此嗎?在初中化學學習時,我們做過用火柴梗比較蠟燭火焰各層溫度的實驗,通過觀察火柴梗不同部位炭化速度的快慢來判斷火焰各層溫度的高低,得出實驗結論:外焰溫度>內焰溫度>焰心溫度。傳統的中學化學實驗對這個問題通常采用的是定性研究。酒精燈3層火焰的溫度各有多高?3層火焰的溫度大小關系究竟如何?酒精燈可以獲得的最高溫度是多少?這些都是定量研究的范疇,在傳統的中學化學實驗條件下難以開展。基于對這些問題的思考,筆者進行了實驗探究。為了準確、實時、快速和自動采集酒精燈火焰不同部位的多個溫度數據,本實驗選用了先進的DIS實驗系統來完成。DIS(DigitalInformationSystem)實驗即數字化信息系統實驗,由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包+計算機”構成的新型實驗系統。DIS實驗系統最根本的特點是將實驗過程或現象轉化為可檢測的物理信號,進而利用物理信號反映或研究實驗本質,這也是科學研究中非常重要的“轉化”思想。DIS實驗系統的應用,使該實驗從定性研究走向定量研究成為可能。2探究過程2.1探究儀器朗威uf8f5?倕DISLab6.0數據采集器、高溫傳感器、計算機、鋼尺、鐵架臺、鐵夾、升降臺、酒精燈、火柴。高溫傳感器:量程為0~1200℃,分度1℃,由溫度探針和傳感器電路構成,由于金屬探針采用優質不銹鋼材料,故高溫傳感器可直接用于測量高溫物質的溫度(如火焰溫度)。其敏感元件置于傳感器金屬探針頂端,其使用方法類似于溫度計,使用時應讓被測物質與此處充分接觸。2.2探究思路酒精燈的3層火焰常有跳動,因此不能手持高溫傳感器測量火焰溫度,而采用鐵夾夾持高溫傳感器;且測量火焰各部位瞬時溫度意義不大,故本實驗測量的是火焰各部位的平均溫度,實驗平行地進行3次。測量時從高溫傳感器探針頂端與燈芯相貼位置開始,通過調節升降臺的高度,改變高溫傳感器探針頂端與燈芯的距離,從而依次測量酒精燈火焰各部位的溫度。測量的原則是:每次下調升降臺高度為5mm,測量火焰每個高度60s內的平均溫度。2.3探究方案(1)組裝實驗裝置,用數據線連接計算機、數據采集器、高溫傳感器,如圖1所示。(2)打開DISLabV6.0實驗軟件系統,點擊“通用軟件”,系統自動識別所接入的傳感器,并顯示當前溫度值,在表1中記錄此時的室溫數值。點擊實驗軟件上方的“計算表格”圖標,選擇“自動記錄”欄內間隔為2s。(3)通過調節升降臺的旋鈕來改變酒精燈所處的高度,使酒精燈的燈芯與高溫傳感器探針頂端相貼。點燃酒精燈,待火焰穩定后,點擊“自動記錄”欄中的“開始”,采集溫度數據。采集時間到60s后點擊“自動記錄”欄中的“結束”,點擊“數據分析”中的“求平均”圖標,獲得此高度60s內所測量的平均溫度,并記錄在表1中。(4)參照升降臺臺面與鋼尺的刻度對應關系,通過旋鈕下調升降臺高度來調節酒精燈燈芯與高溫傳感器探針頂端的距離,每次以5mm為單位。點擊實驗軟件左方“新建”圖標,彈出對話框時選擇“否”,不保存表格,再次點擊“自動記錄”欄中的“開始”,采集溫度數據。60s后點擊“自動記錄”欄中的“結束”,點擊“數據分析”中的“求平均”圖標,獲得此部位60s內所測量的平均溫度并記錄在表1相應位置中。(5)重復步驟4,采集每次相差5mm火焰的溫度數據,直到高溫傳感器探針頂端超出火焰的內焰與外焰分界處(火焰內焰的黃色外邊緣處)1cm時測量結束。測量時注意觀察酒精燈火焰的焰心、內焰、外焰的位置范圍,并在表1中表示出來。實驗平行地進行3次。(6)數據測量結束后進行數據處理。3數據分析與討論3.1焰心、內焰和外焰的出現位置由于本實驗測定的是同一盞酒精燈,所以在3次平行實驗中,火焰的焰心、內焰、外焰出現的位置高度沒有發生變化,并且在高溫傳感器探針頂端伸入火焰中進行測量時,火焰的焰心、內焰、外焰位置高度也沒有發生明顯改變。通過觀察并測量得到:焰心出現在0~40mm高度范圍內,內焰出現在40~65mm高度范圍內,外焰出現在65~75mm高度范圍內(以上均以燈芯平面作為高度參考面)。3.2外焰的溫度是不是最高由表1數據可知:酒精燈3層火焰平均溫度分別為焰心596.7℃、內焰776.5℃、外焰724.6℃,則酒精燈3層火焰溫度的大小關系為:焰心<外焰<內焰。多少年來,不論是教科書還是有關手冊,一般都認為酒精燈的外焰溫度最高,其原因是酒精蒸氣在外焰燃燒最充分。但實際上,這僅是問題的一個方面;從另一方面來分析,正是由于外焰與外界空氣充分接觸,燃燒時外焰和外界空氣的能量交換多,熱量散失多。焰心部位因空氣較稀薄,酒精蒸氣燃燒不充分,因此焰心的溫度不高。內焰酒精蒸氣穩定,與空氣接觸適中,燃燒較充分,發出的光也最明亮,因此酒精燈火焰的最高溫度并不是在外焰,而是出現在內焰。此結論也已得到華南師范大學化學與環境學院錢楊義老師“利用手持技術探究酒精燈火焰的溫度”實驗的證實。所以實驗證明“越往外焰酒精燃燒越充分,放出的熱量就越多,溫度也就越高”的說法是不正確的。綜合酒精燈火焰的燃燒程度和散熱效果等情況,可以得出酒精燈火焰各層的溫度大小關系應該是:焰心溫度<外焰溫度<內焰溫度。3.3火焰的最高溫度火焰的最高溫度是一個瞬時的數值,受諸多因素的影響,如酒精的純度、酒精的蒸發情況、室溫、空氣對流等,且不同的酒精燈所能獲得的最高溫度也不相同。本實驗使用的酒精燈在3次平行實驗中,測量到火焰的最高平均溫度都出現在內焰,其出現位置見表2的比較。因此,在使用該酒精燈時要注意儀器被加熱的部位與酒精燈燈芯的距離保持在55~60mm的范圍,利用“外焰和內焰”一起加熱才最有效率。3.4幾點說明要測量酒精燈各層火焰的溫度,便要找出影響火焰溫度的可能因素,通過歸納,測量時要控制的影響因素主要有:(1)燈芯暴露在空氣中的長度、寬度不同,火焰溫度可能不同。本實驗用的酒精燈參數如圖2所示。(2)燈壺內酒精的體積不同,火焰溫度可能不同。本實驗用的酒精燈的燈壺總容量為187mL,裝有120mL的酒精,約為總容量的2/3,且平行實驗開始時都裝有相同量的酒精。(3)酒精的濃度不同,火焰溫度可能不同。一般以95%的酒精作為燃料,而本實驗中酒精濃度為80%。酒精濃度降低到80%完全可以提供實驗所需熱量。中學化學和生物實驗絕大部分使用酒精燈來做試管實驗,所加熱的溶液的量一般只有幾毫升,所以降低酒精濃度,盡量使酒精燃燒的更完全,絲毫不會影響實驗效果;同時由于酒精燃燒的更完全,給試管等被加熱儀器的底部造成的污染也大為減輕,清洗起來也更加省水省力。(4)火焰周圍空氣的溫度及其對流程度不同,火焰溫度可能不同。本實驗所在室溫為22℃,室內無風,火焰周圍敞開。實驗中測量各測溫點的平均溫度時,由于酒精燈火焰偶有飄動,火焰不穩定,所測得火焰同一位置的平均溫度相差很大,當差值大于30℃時則舍去無效的數據。(5)考慮到在使