水沸腾时吸收的热量“何去何从”

祝　硕

(北京市第二中学亦庄学校，北京　100176)



水沸腾时吸收的热量“何去何从”

祝硕

(北京市第二中学亦庄学校，北京100176)

水沸腾的条件是达到沸点，继续吸热．那么水沸腾时吸收的热量“跑”哪去了？本文首先重温“探究水沸腾时温度变化的规律”这一分组实验，接着分析水沸腾的本质，通过剖析水沸腾时的分子动能和分子势能，解释热量的去向问题．通过水沸腾的分析，让学生对这部分知识获得整体上的了解，不仅可以促使学生对类似问题的思考，还可以激发学生学习物理学科的动力，提高学生的学科素养．

水沸腾内能热量相位

“探究水沸腾时温度变化的规律”是初中物理阶段重点的学生分组实验之一．学生完成这个实验，需要经历科学探究的几个重要过程：提出水沸腾前后温度如何变化这一问题、根据已有经验进行猜想与假设、设计实验并实施、记录实验数据、分析论证等．然而，学生对于“水沸腾后继续吸热温度保持不变”这一结论不易理解，不明白水沸腾时吸收的热量到哪里去了．本文通过理论分析，对水沸腾时吸收的热量“何去何从”进行了研究，有助于教师深入理解相关知识，在教学中做到心中有数，面对学生提出的问题更加从容，保证教学的有效性．

一、“探究水沸腾时温度变化的规律”实验简介

1.猜想与假设

(1)水达到沸点后，对其继续加热，温度升高．

(2)水达到沸点后，对其继续加热，温度不变．

2.实验准备

将室温下的水加热至沸腾，需要较长的时间．为节约教学时间，应注意以下三点：用适量的85 ℃左右的热水进行实验；用酒精灯的外焰加热；将带有小孔的硬纸板盖在烧杯口处．

3．实验评估

学生在验证猜想、得到结论后，对以下两个问题进行思考：

(1)水沸腾后，撤去酒精灯，水并没有立即停止沸腾，这是为什么？

(2)水沸腾后继续吸热的过程中，水吸收的热量“跑”哪去了？

对于问题(1)，学生可以在课堂上给出解释：撤去酒精灯后，石棉网的温度仍高于水的沸点，热量可以由石棉网传递给水，因此，在撤去酒精灯后的一段时间内，石棉网充当了水的热源．

水达到沸点后继续吸热温度不变是不争的实验事实，那么水沸腾时温度为什么不变？水沸腾时其内能如何变化？水吸收的热量“跑”哪去了呢？

这就需要我们对水沸腾的本质及有关相变的问题进行深入的了解．

二、水沸腾的本质

图1

未经过加热的水中通常存在大量的小气泡，如图1所示，我们将气泡内压强称为p内，气泡外紧贴气泡膜处的泡外压强称为p，p是液体内部压强ρgh和液面上方压强p大气之和，一般情况下ρgh与p大气相比可以忽略，因此我们将泡外压强看作p大气．

在对水进行加热时，随着水温的升高，气泡内的蒸汽压增大．饱和蒸汽压与温度一一对应，当饱和蒸汽压等于外界压强时，气泡内外的两相平衡被打破，大量气泡急剧膨胀，并在浮力的作用下迅速上升，到液面处破裂，从而放出饱和蒸汽，这就是沸腾过程，而沸点就是饱和蒸汽压等于外界压强时的温度．也就是说，外界压强一定时，只有泡内温度持续达到沸点，使饱和蒸汽压持续等于外界压强，平衡才能不断地被破坏，沸腾才能持续地发生．由于此时饱和蒸汽压不再增大，水沸腾时气泡内(水内部)的温度不再升高，因此水沸腾时持续吸热，温度不变．

可见，水的沸点是由大气压决定的．我们知道，在一个标准大气压下，水的沸点是100 ℃．当外界压强增大时，打破平衡所需的泡内饱和蒸汽压增大，沸点就随之增高，这就是外界气压与沸点的关系．

三、水沸腾时内能的变化

(一)水沸腾时的分子动能

在学习了分子热运动后，有些学生会将内能知识迁移，用来解释水沸腾时的内能变化．他们认为：沸腾时，水继续吸热温度不变，因为物体的内能与温度有关，所以水的内能不变．殊不知这样的解释大错特错，因为学生并没有充分理解分子热运动．我们知道，内能包括分子动能和分子势能．分子动能是分子做无规则运动具有的能量，它是温度的函数；而分子势能是由于分子间相互作用具有的能量，它是分子间距的函数．当水沸腾时，我们把水和周围的水蒸气看作整体，因为温度不变，分子热运动的剧烈程度保持稳定，分子的平均动能也就不变，那么分子势能又会怎样呢？

(二)水沸腾时的分子势能

首先，我们来认识一下分子间作用力和分子势能随分子间距的变化情况．我们知道，分子之间同时存在着引力和斥力，当两个分子中心的间距为r0(平衡距离，r0≈10-10m)时，引力与斥力相互抵消，合力为零；当r

图2

图3

水汽化变为水蒸气时，分子间距处于r0

物质处于固、液、气三态时，分子间距一般在r0Ep液>Ep固．

四、水沸腾时吸收的热量跑哪去了

水的沸腾为什么需要持续加热才能维持？水沸腾时吸收的热量跑哪去了？

在某种条件下，如果物质可以有几种不同的物态同时存在，则每一个物理性质均匀的部分称为一个相，同一物质组成的相为单元系．那么，冰、水、水蒸气就组成一个单元三相系，这三相之间的转变过程有两个共同特征：一是物质发生相变时，体积要发生显著变化；二是相变时，要吸收所谓的“相变潜热”．

水的沸腾属于单元系相变，这一过程的“相变潜热”称为汽化热．那么，水沸腾时吸收的汽化热最终的去向是什么？我们知道，改变物体的内能有两种方式：做功和热传递，这就把(吸收或放出的)热量、做功和内能的改变联系起来．热力学第一定律告诉我们，Q=ΔU+A，即单元系所吸收的热量Q用来增加系统的内能ΔU和系统对外做功A．因此，水沸腾时吸收的热量一方面使得水和水蒸气系统的内能增加；另一方面，水沸腾时大量气泡上升到水面，气泡膨胀破裂，热量用来对外做功．

五、总结

至此，水的沸腾实验及拓展思考告一段落．虽然学生也许并不能完全理解上述复杂的理论分析，但教师可以有选择性地将分析过程和重要结论告诉学生，让他们对这一知识获得整体上的了解，这可以激发学生未来努力学习物理的动力．教师还可以在教学中提出更多类似的问题，促进学生深入思考，培养他们收集资料、分析论证、实验探究等方面的能力，而研究过程本身对教师来说也是对专业素养的提升．

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[S]. 北京:北京师范大学出版社，2012:25.

[2]人民教育出版社课程教材研究所.义务教育教科书·物理·八年级上册[M].北京:人民教育出版社，2013:59.

[3]人民教育出版社课程教材研究所.义务教育教科书物理(八年级上册)探究活动报告册[M]. 北京：人民教育出版社，2013:21.

[4] 汪志成. 热力学与统计物理[M].兰州：兰州大学出版社，1993:53.