水的凝固與冰的熔化實驗演示儀

吳龍忠

摘?要：汽車空調用制冷劑是一種環(huán)保型制冷劑，通過自制降壓管，將液態(tài)制冷劑引入真空保溫玻璃杯內，制冷劑發(fā)生節(jié)流膨脹，杯內溫度急劇下降.利用類似原理制作教具可以先做水凝固實驗再做冰熔化實驗.為了保證水受冷均勻、減小實驗誤差、保護試管和溫度計不被凍碎，筆者通過醫(yī)用注射器和輸液管連接金屬毛細管在水受冷過程中向水中注射氣泡，對試管內的水進行“攪拌”.透過真空保溫玻璃杯壁可以直觀地觀察到試管內水的凝固過程.

關鍵詞：環(huán)保型制冷劑;快速制冷;新材料;自制教具

文章編號：1008-4134（2019）18-0017中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

冰的熔化實驗既是初中物理教學中的重點實驗，也是難點實驗.傳統(tǒng)獲取冰的方法有三種：一是利用冰箱制冰.課前將水放入冰箱內冷凍，待水凝固后將冰取出，然后對冰塊采取保溫措施，上課時將冰帶到教室粉碎后裝入試管，并在試管內插入溫度計顯示冰融化時的溫度;二是利用低溫的酒精或食鹽水制冰.課前利用冰箱對酒精或食鹽水進行冷凍，然后將低溫的酒精或食鹽水裝入保溫裝置中，將水裝入試管并在試管內插入溫度計，再將試管投入低溫的酒精或食鹽水中進行冷凍，待試管內的水凝固后取出試管，進行冰的熔化實驗演示;三是使用干冰制冰.將水裝入試管并在試管內插入溫度計，再將試管放入盛放干冰的容器內（提前準備好干冰）進行冷凍，待試管內的水凝固后，從試管內取出冰塊，再進行冰的熔化實驗演示.采用以上傳統(tǒng)方法開展冰的熔化實驗不僅操作復雜、費時費力、課堂效率低，而且描繪冰熔化的溫度曲線時會出現(xiàn)較大的誤差，往往出現(xiàn)冰熔化時溫度計示數(shù)低于0℃的現(xiàn)象.為了解決以上實驗教學中的難題，筆者自制了水的凝固與冰的熔化實驗演示儀，使用自制的降壓管配合其他附件將汽車空調使用的環(huán)保型制冷劑（化學成分為四氟乙烷，具有良好的安全性能，不易燃，不爆炸，無毒，無刺激性，無腐蝕性）引入真空保溫玻璃杯內，發(fā)生節(jié)流膨脹，快速降溫，獲得低溫環(huán)境，安全高效地開展水凝固及冰熔化實驗.

1?演示儀優(yōu)點

快速制冷：可以在5秒內獲得零下26℃的低溫環(huán)境，可以在2分鐘內快速制冰;

透過真空保溫玻璃杯壁可以直觀地觀察到水的凝固實驗;

采用向試管內的水中注射氣泡的方法對水進行“攪拌”，確保受冷均勻;

利用本儀器可以隨堂演示水的凝固實驗和冰的熔化實驗;

向試管內的水中加入適量清潔球金屬絲，起到良好的導熱作用，顯著減小誤差;

一套儀器可以滿足多組實驗.

2?制作演示儀需要的主要器材

真空保溫玻璃杯，若干冷配件：單向閥一個，外直徑為 2mm 的長度為90cm的中空毛細管一段，開瓶閥一個，加液管一個，罐裝的制冷劑 一瓶，外直徑為6mm、長度約10cm的銅管一段.

3?制作演示儀的方法

準備一個高度約15cm、直徑約6.5cm的真空保溫玻璃杯，用25mm的開孔器在真空保溫玻璃杯蓋上以蓋的中心為圓心鉆一圓孔，保證剛好可以插入一只外直徑約25mm的試管.在圓孔的外圍距孔邊緣2mm處用鉆頭再鉆2個直徑約2mm 的小圓孔.

向真空保溫玻璃杯內加入深度為5cm的水泥混凝土，混凝土晾干后與玻璃杯牢固結合在一起、可以作為玻璃杯的配重，降低玻璃杯的重心，實驗時保證玻璃杯穩(wěn)定，如圖1所示.

將直的毛細管一端靠在外直徑為 15mm的試管上，使用金屬絲緊密環(huán)繞約16 匝，制成一個螺線管，毛細管的另一端保持直管狀態(tài)，長約20cm.

將螺線管的起始端插入一段長約10cm、直徑為6mm的直銅管內，插入深度約3mm，將直銅管的另一端與單向閥連接，使用磷銅焊條和焊具將接頭處焊接起來，這樣就制成了一個降壓管.如圖2所示.

從金屬清潔球上取適量的金屬絲，蓬松、均勻地放入試管底部，然后用帶孔的橡膠塞塞緊試管口，將液體溫度計通過橡膠塞中央的孔插入試管底部金屬絲中.

將長約20cm 、外直徑為 2mm 的筆直中空毛細管一端通過橡膠塞中央的孔插入試管底部，毛細管緊靠著溫度計的背面.毛細管的另一端彎折后與醫(yī)用輸液管、注射器連接，如圖3所示.

實驗所需器材按照順序擺放，從左到右依次為開瓶閥、罐裝制冷劑、加液管、降壓管和真空保溫玻璃杯，如圖4所示.

將開瓶閥套在裝有制冷劑的金屬罐上，通過旋轉閥體將開瓶閥固定在金屬罐上，然后用加液管將開瓶閥與降壓管通過金屬對接頭連接起來，將降壓管的直管部分通過真空保溫玻璃杯瓶蓋上的小孔插入杯底部，如圖5所示.

4?使用演示儀的方法

對真空保溫玻璃杯進行排空氣.將裝有制冷劑的金屬罐正立，順時針旋轉開瓶閥上的旋鈕數(shù)圈，旋鈕下方的金屬針下移直至戳破金屬罐，然后再逆時針旋轉開瓶閥的旋鈕提起金屬針，金屬罐內高壓的氣態(tài)制冷劑通過加液管、降壓管進入真空保溫玻璃杯底部，將玻璃杯內的空氣排出，通氣數(shù)秒，玻璃杯內空氣被全部排出.防止實驗過程中玻璃杯內溫度降低時，空氣內的水蒸氣液化后附著在杯壁和試管壁上，使杯壁變得模糊，影響觀察水的凝固過程及溫度計示數(shù)的變化.

利用制冷劑的節(jié)流膨脹獲得低溫環(huán)境.將盛制冷劑的金屬罐倒立，高壓的液態(tài)的制冷劑經(jīng)過開瓶閥、加液管、降壓管流入玻璃杯內，因為降壓管中有一段較長的內徑很小的毛細管，且呈螺旋管狀，液態(tài)制冷劑流經(jīng)該部分時受到很大的阻礙，從降壓管末端流入玻璃杯時，壓強驟然減小，液態(tài)制冷劑發(fā)生節(jié)流膨脹、由液態(tài)汽化為氣態(tài)、同時吸收大量熱量，玻璃杯內溫度急劇下降.因為是真空保溫玻璃杯，所以杯內外不容易發(fā)生熱交換，歷時5秒后，杯內溫度快速降至制冷劑的沸點，大約零下26℃，此時流入玻璃杯內的液態(tài)制冷劑不再汽化，玻璃杯內液態(tài)制冷劑越來越多，直至金屬罐內的液態(tài)制冷劑全部流入玻璃杯內.玻璃杯內的空間相當于冰箱的冷凍室，制冷劑不斷沸騰，溫度穩(wěn)定在零下26℃ .

5?演示水凝固實驗

用醫(yī)用注射器吸取約7ml、初溫為27℃的純水，連接醫(yī)用輸液管及金屬毛細管將水注射到試管內（如圖3所示）.

將試管從玻璃杯蓋的孔中慢慢插入杯內液態(tài)制冷劑中，直至試管裝水部分全部浸入液態(tài)制冷劑中（試管可以直立在杯中，不需要使用鐵架臺固定）當試管底部接觸液態(tài)制冷劑時，可見液態(tài)制冷劑中立刻產(chǎn)生大量的氣泡，即制冷劑開始劇烈沸騰，從試管內水中快速吸收熱.制冷劑在沸騰過程中不斷運動，與試管充分接觸，有利于從試管及其內部的水中快速吸收熱量.溫度計玻璃泡處的水與靠近試管壁的水之間存在較大的溫度差，即靠近試管壁的水先降溫，溫度計示數(shù)變化滯后于靠近試管壁的水溫變化.為了減小試管內水的溫差、減小誤差，可以將試管放入液態(tài)制冷劑中，注射器連接醫(yī)用輸液管，通過金屬毛細管向水中間斷注射氣泡的方法，對水進行“攪拌”，確保水受冷均勻，溫度計示數(shù)馬上開始下降;加入水中的金屬絲是熱的良導體，也可以縮小溫度差，從而顯著減小溫度計測量誤差、保護溫度計及試管不被凍碎.歷時約2分鐘試管內水溫度從27℃降至0℃，此時停止注射氣泡.透過真空保溫玻璃杯壁可見玻璃杯內呈現(xiàn)冰火兩重天的現(xiàn)象：液態(tài)制冷劑持續(xù)沸騰、溫度保持零下26℃，繼續(xù)從試管吸收熱，試管內部有冰出現(xiàn)，冰逐漸增多，水逐漸減少，水在不斷凝固，溫度計示數(shù)維持在0℃不變，直至水全部凝固，此時液態(tài)制冷劑繼續(xù)沸騰，繼續(xù)從試管內部吸收熱量，溫度計示數(shù)又開始下降.

6?演示冰的熔化實驗

在水凝固實驗中，當溫度計示數(shù)下降到大約零下4℃時將試管從玻璃杯中取出，用鐵夾夾住試管上部，將試管固定在鐵架臺上，對試管內的冰進行空氣浴，試管及內部的冰從空氣中不斷吸收熱量，可見溫度計示數(shù)開始升高;當溫度計示數(shù)達到0℃時，繼續(xù)吸收熱量，溫度計示數(shù)不再升高，冰在不斷熔化、減少，水在不斷增加;當冰完全熔化，繼續(xù)吸收熱量，溫度計示數(shù)又開始升高.因為冰是熱的不良導體，所以熔化前，溫度計玻璃泡處的冰與靠近試管壁的冰之間存在一定的

溫度差，即溫度計測量值低于靠近試管壁的冰的溫度值，但是冰內的金屬絲是熱的良導體，能有效降低內層冰與外層冰之間的溫度差，減小測量誤差.為了節(jié)省實驗時間，加快試管內的冰從空氣中吸收熱量，還可以用微風電風扇對準試管內的冰吹風，加快空氣流動，或者使用水浴法.

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