深度课堂: 热传递的基础与沸腾时的温度变化特点

作者:i实验 2017-07-06阅读:3864次

物态变化伴随着吸热或放热,物体吸、放热的过程就是一种热量传递的过程,简称热传递。热传递的方向是从高温物体向低温物体,或从物体的高温部分向低温部分。热传递的条件是物体之间存在温度差,终止条件是物体间没有温度差,即温度相等。

分析物体吸放热的过程,必须明确吸放热的对象,或者说明确谁在吸热、谁在放热。A、B之间发生热传递,要么A放热、B吸热,要么B放热、A吸热。如图为热量传递的两种方向。

温度计是如何测量温度的呢?以测气温为例,当玻璃泡与空气长时间接触,它们之间有足够的时间完成热传递,或者说玻璃泡与空气之间的热传递应该已经终止了,那么此时玻璃泡与空气之间就没有温度差,即玻璃泡的温度等于空气温度。其实很多生活经验可以说明这一点:一杯水长时间放在冰箱冷藏,那么它的温度就等于冰箱冷藏室的温度;如果取出后长时间放在房间内,那么它的温度有和房间气温相同了;如果你想用温度计测量炎炎夏日室外的气温,就得将温度计放在室外5分钟以上,如图。

如果将一支温度计的玻璃泡涂上酒精,会发生什么?首先要明确的是涂抹酒精之前的温度计示数应等于空气温度。涂抹酒精后,酒精蒸发吸收玻璃泡的热量,玻璃则泡放出热量,玻璃泡的温度就会降低。不能理解成酒精吸收热量使温度计示数升高,因为酒精吸收热量后变成气体蒸发到空气中了,酒精蒸汽将吸收的热量带走,使玻璃泡的温度降低,示数减小。

当酒精蒸发完后,温度计示数远低于空气温度,此时温度计与空气又存在温度差,玻璃泡会与空气发生热传递:玻璃泡吸收空气的热量,示数升高,直至温度计与空气的温度相同时,终止热传递,示数保持空气温度不变。那么空气的温度会不会下降呢?由于玻璃泡吸收的热量非常少,对空气的影响可以忽略,可以认为气温没有发生变化。所以涂抹酒精后温度计的整个示数变化是“先降低后升高,最后保持不变”。

水沸腾前后的温度变化与吸热的规律:水沸腾前不断对水加热的过程中,大部分处于液态,虽然有缓慢的蒸发,但水从酒精灯吸收的热量远大于蒸发所带走水的热量,所以水的热量总体是增加的,温度不断升高。随着水温的升高,水与环境温差增大,水向空气的放热增大、水的蒸发带走的热量也会增大,水的热量损失增大,在同样的酒精灯加热下,烧杯中水的热量增加变缓,水温上身变缓,如图红圈处所示。

如果不考虑热量散失,那么沸腾图像应该是这样的:

当水温达到沸点时,烧杯内水的汽化现象突然变得非常剧烈,无论是表面还是内部,液态水都在快速地汽化——由液态变成气态,这个过程需要吸收大量的热,同时水蒸气把吸收的热量带走散失到空气中,此时水从酒精灯吸收的热量与被水蒸气带走的热量相等,使得水温不再升高。

随着沸腾的继续,烧杯内的水不断地从酒精灯吸热,但温度始终保持不变,这个过程直到烧杯中的液态水全部变为气态,烧干为止。