在掌上實驗室探究酒精燈火焰溫度

在掌上實驗室探究酒精燈火焰溫度——得出不同的結(jié)論作者：錢揚(yáng)義等摘要本文介紹在掌上實驗室進(jìn)行的酒精燈3層火焰溫度的探究實驗，探討酒精燈3層火焰溫度的大小及其關(guān)系。關(guān)鍵詞掌上實驗室酒精燈火焰溫度探究實驗前言酒精燈是化學(xué)實驗中經(jīng)常使用的熱源。酒精燈的火焰可以分為3部分：焰心、內(nèi)焰和外焰。焰心是我們觀察到的比較暗的部分；內(nèi)焰是最明亮的部分，呈黃色；外焰顏色比內(nèi)焰淡，而且常飄忽不定。一般地認(rèn)為酒精燈火焰溫度在500°C左右，并且焰心、內(nèi)焰和外焰的溫度依次增高，其理論依據(jù)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(qiáng)調(diào)要用外焰加熱。酒精燈3層火焰的溫度各有多少度？3層火焰的大小關(guān)系怎樣，是不是像前面敘述的那樣？酒精燈可以獲得的最高溫度又有多大？這些都是定量的研究，在傳統(tǒng)的中學(xué)化學(xué)實驗條件下難于開展。中學(xué)化學(xué)實驗對這個問題進(jìn)行定性研究，通常的做法是用一根火柴梗在酒精燈火焰上加熱，根據(jù)火柴梗不同部位炭化速度的快慢來判斷各層火焰溫度的高低。掌上實驗室使中學(xué)化學(xué)實驗從定性研究走向定量研究成為可能。掌上實驗室是由手持技術(shù)(Handheldtechnology)與計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成的現(xiàn)代科學(xué)實驗室，其中手持技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集器(Datalogger)和各種傳感器(Sensor)或探頭(Probe),它們能便攜地、定量、快速、準(zhǔn)確地測量各種實驗數(shù)據(jù)；計算機(jī)技術(shù)為實驗數(shù)據(jù)的處理提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。本實驗在掌上實驗室進(jìn)行，對上面3個問題進(jìn)行探究。1實驗部分實驗方案酒精燈的3層火焰常有跳動，因此不能直接手持探頭測量3層火焰的溫度。本實驗用如圖1所示的裝置進(jìn)行，探頭從燈芯位置開始，通過調(diào)節(jié)燈座的高度，依次測量酒精燈各部分火焰的溫度。測量的原則是：每隔50s調(diào)整一次探頭的位置(用調(diào)節(jié)燈座的高度的方法)以測量不同部位火焰的溫度；每次調(diào)整的高度為0.5cm(以直尺為標(biāo)度)；調(diào)整的時間為10s，在10s內(nèi)提前完成調(diào)整的，夠10s后方重新計時。由于火焰經(jīng)常跳動，測量火焰各部位瞬時溫度，其意義不大。本實驗的測量結(jié)果是各個部位（每個部位采集50個數(shù)據(jù)）的平均溫度，實驗平行地進(jìn)行3次。實驗儀器MutilogPro數(shù)據(jù)采集器高溫探頭（DT025）直尺酒精燈及普通燈用酒精鐵架臺升降燈座QJt■M航藥嗨：QJt■M航藥嗨：kMmdill1iiMv.DT025是一個K型熱電偶溫度探頭，量程范圍為0°C~1250°C。探頭同時配備一個適配器（TheDT025ThermocoupletypeKadapter）,適配器內(nèi)配備另外一個溫度探頭，用來校正熱電偶的冷端在室溫下產(chǎn)生的溫度偏移。DT025的工作原理是：熱電偶產(chǎn)生感應(yīng)電壓（數(shù)量級為10-V）,這個電壓經(jīng)由適配器校正并放大，調(diào)節(jié)到0~5V（數(shù)據(jù)采集器接收的電壓范圍）；數(shù)據(jù)采集器接收相應(yīng)的電壓，將其轉(zhuǎn)換成正確的結(jié)果并保存在采集器內(nèi)存中，以供進(jìn)一步用計算機(jī)處理時調(diào)用。DT025探頭在出廠時已經(jīng)充分校正，整個量程范圍的最大誤差為±0.5%。實驗步驟（1） 將DT025及其適配器和數(shù)據(jù)采集器的Input1端口連接起來（如圖1）；（2） 開啟數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置其采樣頻率為1persec，采集數(shù)據(jù)總數(shù)為2000（足量）；（3） 調(diào)節(jié)探頭位置，使其與燈芯相貼，記下此時燈座位置刻度，點(diǎn)燃酒精燈，待火焰穩(wěn)定后，采集燈芯溫度數(shù)據(jù)；（4） 每次以0.5cm為單位，調(diào)低燈座，連續(xù)采集相差0.5cm火焰的溫度數(shù)據(jù)，每次采集50個，時間為50秒；測量時將焰心、內(nèi)焰、外焰的位置記錄下來；（5）將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，用Db-Lab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及圖表繪制并將數(shù)據(jù)輸出到MicrosoftExcel中進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2數(shù)據(jù)處理和討論Td聲Y-7HC—KithcEdiLfcsUvmtuo?[fl42數(shù)據(jù)處理和討論Td聲Y-7HC—KithcEdiLfcsUvmtuo?[fl4頂袖訂各鬧燈光怖呂圾曲蚪囹沁“缶ffi：帀譎幻各器幷火茁理度瀏坡用|\“h團(tuán)審洶鬥燈各蚪井迪骼堂壇削址圈I"dlA?2門汕光Urct(n4f-t>tvr(-5Mxoh?7-*ltfl 圖2，圖3，圖4是用Db-lab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（3次平行實驗數(shù)據(jù)）所得到的酒精燈各部分火焰溫度曲線圖?；鹧婷總€部位（2個部位之間相差0.5cm）的采集時間為50s,燈座高度的調(diào)節(jié)時間為10s，因此時間軸上每lmin表示火焰高度相差0.5cm，這3個圖是用這種方法來表示的火焰不同部位的溫度變化曲線。2.1焰心、內(nèi)焰和外焰的出現(xiàn)位置在本實驗中，焰心、內(nèi)焰和外焰3次出現(xiàn)的位置非常吻合，焰心出現(xiàn)在0~2.5cm高度范圍內(nèi)，內(nèi)焰出現(xiàn)在3.0cm~4.0cm高度范圍內(nèi)，外焰在4.5cm以外。（以上均以燈芯平面作為高度參考面）。2.2酒精燈火焰溫度隨高度的變化情況分析上面3圖，有：（1）焰心、內(nèi)焰部分的曲線較為平滑，燈芯的溫度（見表1）甚至與室溫相差無幾，而外焰部分曲線則劇烈波動。酒精是極易揮發(fā)的燃料，燃燒時在酒精燈燈芯上方形成酒精蒸氣，最外層的酒精蒸氣與外界大氣接觸，燃燒時與空氣的能量交換劇烈，因此外焰溫度極不穩(wěn)定，在上面3個圖中表現(xiàn)為曲線劇烈波動；中層和內(nèi)層蒸氣得到外層蒸氣的保護(hù)，受外界空氣的影響較小，因此內(nèi)焰和焰心波動較小，溫度比較穩(wěn)定，在上面3個圖中表現(xiàn)為曲線比較平滑。（2）最高溫度并不是出現(xiàn)在外焰，而是出現(xiàn)在內(nèi)焰。外焰的酒精蒸氣受外界空氣影響較大，而且和外界空氣的能量交換劇烈，火焰的溫度受到很大的影響；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(nèi)焰酒精蒸氣穩(wěn)定，與空氣接觸適中，燃燒較充分，發(fā)出的光最明亮，因此最高溫度在內(nèi)焰出現(xiàn)。丹丹u』WH-3I-圖5是3個實驗的溫度曲線的整合圖，3條曲線比較接近，因此，3個平行實驗得出的數(shù)據(jù)是合理的，能正確地反映酒精燈火焰的溫度變化情況?；鹧娓鞑课坏臏囟壤肈b-Lab軟件的數(shù)據(jù)輸出功能，將實驗數(shù)據(jù)輸出到MicrosoftExcel2000中對其進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1。從表1數(shù)據(jù)中可以看出，酒精燈火焰的內(nèi)焰溫度最高，外焰次之，內(nèi)焰最小。實驗證明“越往外焰酒精燃燒就越充分，放出的熱量就越多，溫度也就越高”這種說法是不正確的。

袤］實皓給卑統(tǒng)計［和山引“Ml時燈芯的盤虞Imi)WMl1m2i「k也畫tJ衣實14甲助〔i利:火訥屮呦tl0（勺芯1.117S4.5.16-7^5.60.S31Z23l?i.4i.n4-l^kV4(C.4JMtt.74?A，7怕心1.5妣￥燦i56J.0MS.72.0SB<3iiOLS附*JJ2?325607-3砸165掘16Vt.23.0673,7叭9fi+1.7碗.K內(nèi)10.1.5671-66TO.I(41.ftMl.KMi5.?4.07KI.76MS叭9E14.5655,6?5,C611-)WSS.0Vfl.U如1?39.95.5■mi532.043i5msC.0??-54K$.|話1-14J1.6火焰的最高溫度在進(jìn)行的3次平行實驗中，火焰的最高溫度都出現(xiàn)在內(nèi)焰（圖2、圖3和圖4中箭頭所示）。最高溫度是一個瞬時的數(shù)值，受諸多因素的影響，如酒精的純度、酒精的蒸發(fā)情況等，而且不同的酒精燈獲得的最高溫度也不同。本實驗中采用的酒精、酒精燈都是普通的燈用酒精、實驗室酒精燈，燈壺的總?cè)萘繛?90mL，約裝有110mL的酒精，為總?cè)萘康?/3。表2是3次平行實驗中出現(xiàn)的最高溫度及其出現(xiàn)時間、出現(xiàn)位置等數(shù)據(jù)。表2酒精燈火焰晟高隘度璽鑒編號iMo1如2聞3最高溫度（口718.6687,L679.9出現(xiàn)時瞰S}4843S8524出現(xiàn)位置（cni）4.03.04,0平均值{V）69523結(jié)論（1）酒精燈3層火焰溫度的大小順序為：焰心＜外焰＜內(nèi)焰，焰心和內(nèi)焰溫度較穩(wěn)定，外焰溫度不穩(wěn)定劇烈波動；（2）焰心的平均溫度為432.3°C，內(nèi)焰的平均溫度為665.5°C，外焰的平均溫度為519