烧水过程中水的T—t曲线和自然条件下降温过程中水的T—t曲线

于志远 郎长红

摘 要：在许多热学现象中都涉及到水的热学性质，其中水的温度和时间的关系影响了很多问题，如怎样烧水才能效率最高等。本文用燃气灶烧水，记录了用燃气灶烧水过程中水的温度T与时间t的关系曲线和自然条件下降温过程中水的温度T与时间t的关系曲线，掌握水的温度和时间的关系可以更好地了解其热学性质。

关键词：升温曲线 降温曲线 温度 时间 高精度铂热电阻 温控表

本次实验是将1.9kg的水装在水壶中，用燃气灶烧开。室温为29°。因为想缩短烧水的时间，在燃气灶的开关选择了较大火力的挡位。但是如果火力太大，燃气燃烧不充分，火焰外焰位置太高，反而不会最快烧开并且浪费燃气。因此在几个挡位中，我选择了如图所示介于最大档和最低档中间的位置。

测量温度的温度传感器我采用了高精度铂热电阻搭配温控表（量程是0到400°），仪器能够时刻显示水的温度，精度极高。

一.水的升温过程

水的初始温度时28摄氏度，此后记录的时间和对应的温度如下表。其中时间的单位是秒，温度的单位是摄氏度。

用Excell软件中的散点图功能将上述数据以时间为横坐标，以温度为纵坐标做T-t曲线，如下图所示。

由图像可知随着温度的升高，相等时间间隔内温度升高的值逐渐减小，即温度升高得越来越慢。

二.自然条件下水的降温过程

降温过程水的温度随时间的变化数据如下表。

用Excell软件中的散点图功能将上述数据以时间为横坐标，以温度为纵坐标做T-t曲线，如下图所示。

由图像可知，水降温时相同时间内，水的温度降低得越来越慢。

三.分析数据

水的降温曲线和环境温度是分不开的，本实验中环境温度为29°。不同室温，单位时间内降温的数据不尽相同，但是总的趋势是不变的。

1.升温过程：

本实验的起始水温是28°，在实验前期可以明显看到水温急速上升。最开始几乎每隔十秒钟温度提高两度，40秒之后几乎每隔五秒钟温度上升一度或者两度，达到了升温的巅峰时期。90秒以后可以看到温度上升的逐渐缓慢，又变成了每隔五六秒中温度提高一度。等到307秒之后，每升高一度的时间明显变长，又六七秒之多。而346秒时温度达到97度时会发现温度上升非常缓慢，尤其是温度由99度上升到100度，用了38秒！可见总的规律是随时间的增加，水温上升的越来越慢，中间有时会有略微的浮動，并不是呈现一成不变的规则。

2.降温过程

降温过程我采用每隔30秒采集一个数据。在150之内都是每隔30秒温度降低一度，规律性非常强。之后几乎都是每隔30秒降一度紧接着的60秒降一度，这样的规律维持了390秒。接下来是每隔90秒温度降低一度。1050秒后是每隔两分钟温度降一度。1920秒后变得更加缓慢。整体规律非常明显，从图像也可以看出，曲线非常圆滑。由图像可以，随时间的延长，水温的降低越来越缓慢。

四.实际应用

应用1：由图像可以得出水的沸点。

通过图像了解水的温度的变化规律，观察水的沸腾现象，能够得到水在沸腾过程中的特点：水在沸腾过程中温度保持不变。在升温图像中，我们可以发现水在沸腾之前，水中由下层上升到上层的气泡不断变小，水壶口出现少许白气，同时伴有滋滋的声音。而水沸腾时，气泡在上升中体积变大，水壶口出现大量的白气，与此同时，水不断翻滚，声音也变成哗哗的响声。由温度传感器可得，最后水温趋近于一个不变的值，这时的温度就是水的沸点了。

应用2：作为学生探究性实验，研究水的温度变化规律。

新课程改革之后对学生的物理探究精神的培养更加地关注，而探究性实验更是物理课程中不可获取的组成部分。在物理教学中，要注重培养学生实事求是的科学精神，要真实的采集数据，学会提出合理的假设和猜想，学会分析数据、处理数据。

而对本实验我也有一些初步的建议，在降温过程中时间过长，如果课上完成整个时间不切实际。可以用电磁炉将不同容器的水烧成不同的温度，然后分组进行测量。比如每隔15度的温度差分为一组，最后把数据整合起来。虽然在最终数据的准确度上会差一些，但是学生都在恰当的时间段内真实地记录了数据。起到事半功倍的效果。

应用3：研究怎样提高燃气灶的烧水效率

如果水是用燃气灶加热的，那么可以在加热前、后记录燃气表的示数，用某一挡位进行加热，记录数据并绘制升温图线。同样方法换不同的挡位进行多组测量，绘制出不同的升温图线。结合降温图线，根据烧水中的能量转化和转移的情况，烧水中燃气燃烧放出的热量一部分用于给水加热，一部分给空气加热，然而给水加热的的能量又有一部分使水温升高，与此同时还有一部分热量通过热水散失给空气。那么可以通过多次烧水来记录不同温度下散热的快慢和单位时间内内能的增加量。多次测量可以找到哪一种火力加热水的效率最高。

应用4：高科技展望

随着科技的发展，给水加热的方式多种多样。最近市场上出现的磁能热水器是利用磁能感应原理，给导体体内的水通过导热题产生的亿万个小璇涡流从各个角度进撞击和切割。加热过程中水电分离，大约5秒钟就可以将约200ml的水加热到沸腾。这种情况下，水的升温曲线会是什么样？会不会也是上述规律，目前不得而知。

参考文献：

《在掌上实验室对热水的自然降温曲线进行数学建模》钱洋义 华南师范大学化学系

《水在冷却散热过程中温度变化规律的探究》周兴 庙镇小学