升華吸熱可視化實驗

張敏紅

【摘要】固體升華需要吸熱是涉及物相變化的基本規律.本文探索性采用固體碘升華實驗和固態二氧化碳（干冰）升華實驗來驗證此規律，通過這兩個可視化實驗來分析、比較兩個實驗的靈敏度、可重復性和實驗操作的可控性，拓展了學生的認知深度和廣度，給出了采用固態二氧化碳進行實驗更為合理，實驗現象也更為明晰.

【關鍵詞】可視化；升華吸熱；碘；干冰

1 問題提出

蘇科版物理八年級上冊“升華和凝華”一課中，對于升華吸熱這個知識點，課本沒有另外安排具體的實驗來進行論證.在“碘升華”實驗中，利用水浴法對碘錘進行加熱，能觀察到碘錘內出現了紫色的碘蒸汽，根據碘升華時需要對其加熱這一現象，讓學生感知到升華是需要吸熱的.有了之前汽化過程需要吸熱這一知識儲備，絕大多數學生對于升華吸熱這一知識點還是比較容易接受的，但是也有部分學生提出質疑：僅憑“對碘加熱”這一點，無法推斷出升華需要吸熱，有可能是碘吸熱升溫.引導學生進一步思考：能否設計可視化實驗來證明升華是需要吸熱的呢？

2 碘升華吸熱實驗

基于“可視化”目標引領，采用對比實驗，將兩個相同的錐形瓶放在同一個水槽內，其中一瓶內裝碘（左瓶），另一瓶為空瓶，將數顯溫度計的探頭均放在瓶內靠近瓶口處，兩瓶初始溫度均為23℃（圖1），在水槽內倒入熱水，發現兩溫度計示數均升高，而且裝有碘的瓶內氣溫升高得更快（圖2）.由現象可知，該實驗無法說明碘升華需要吸熱.分析原因：可能因為碘的導熱性能比空氣好，導致碘瓶內溫度升高得快.

實驗改進：在兩個瓶內放入等量的碘，但是使其中一瓶內的碘不發生升華現象或升華現象緩慢.查閱資料得知：南京的蔡麗老師對此實驗也做過相應的研究，并發表了論文“碘升華吸熱演示實驗的改進”[1].模仿蔡老師的實驗思路，我們也進行了類似的實驗探究，在兩個相同的錐形瓶內，裝入相同量的碘，其中一份碘用保鮮膜包裹（左瓶）.放在同一個水槽內，兩瓶內初始溫度均為22.2℃（圖3）.在水槽內倒入大約40℃的熱水，兩溫度計示數均開始升高，而且一開始升高速度基本一致，加熱1分30秒時，兩瓶溫度均為26℃（圖4）.加熱大概2分鐘后，碘沒有包裹的瓶內（右瓶）出現了大量紫色碘蒸汽，而且該瓶內溫度計示數開始出現略低現象，比另一瓶溫度低0.4℃（圖5）.但這一現象持續時間很短，幾秒鐘后，右瓶的溫度計示數升高速度便超過了左瓶，在加熱2分20秒時，右瓶溫度已比左瓶溫度高0.5℃（圖6）.此時，拿出右瓶內的溫度計探頭，發現上面有很多紫色的晶體（圖7），也就是紫色的碘蒸氣已在探頭上發生凝華現象.分析右瓶溫度反超左瓶的原因，應該是由于碘蒸氣凝華放熱，導致后期溫度要比另一個瓶子上升得快.

分別改變溫度計探頭在錐形瓶內的位置、水槽內的水量以及水溫等因素，進行多次實驗.發現有時兩瓶內升溫快慢基本相同，有時碘未包裹的瓶內氣溫升高速度明顯要比另一瓶子快，有時又比另一瓶子慢.分析原因，碘升華吸熱的同時，熱水在不斷給瓶子供熱，溫度計顯示的是探頭處的溫度變化，因此，熱水的水量、水溫，碘的多少、溫度計的探頭位置均會影響到實驗結果.實驗現象不穩定，給實驗探究帶來了很多的不確定性，實驗結果也就具有偶然性.

另外，在實驗中，可以看到當碘升華時，瓶內充滿紫色的碘蒸氣，此時，溫度計探頭測量的是碘蒸氣的溫度，另一個瓶內溫度計測的是空氣的溫度，由于碘蒸氣和空氣的熱導率、比熱容均不同，這些變量都會影響升溫速度.所以，用此對比實驗來說明碘升華需要吸熱是不嚴謹的.

3 干冰升華吸熱實驗

將干冰放在敞口容器中，用溫度計直接測干冰溫度，發現溫度計示數顯示為零下70多℃，同時觀察到干冰逐漸減少，說明干冰在升華.但此實驗無法說明干冰升華吸熱，因為百度資料顯示：干冰的最低溫度可達零下78.5℃.

采用對比實驗：將干冰儲存在泡沫盒內，蓋緊盒蓋，干冰升華速度明顯減慢，用溫度計測出此時干冰的溫度為零下72.5℃（圖8），打開泡沫盒蓋，由于受到環境溫度的影響，溫度計的示數上升為零下72.4℃（圖9），但很快示數開始下降，達到零下73.5℃（圖10）.

查閱資料，由二氧化碳的三相圖可知[2]（圖11），在相同的環境溫度下，降低干冰上方壓力，可以加快干冰升華.如何降低干冰上方氣壓呢？分析可知，當干冰升華時，固體二氧化碳直接變為氣態二氧化碳，由于二氧化碳的密度大于空氣密度，所以當干冰升華時，二氧化碳氣體會聚集在干冰上方.設法減小干冰上方的二氧化碳氣體濃度，從而減小干冰上方氣體壓強，就可以加快干冰的升華.

基于以上思考，當干冰升華時，用電風扇來吹散上方的二氧化碳.如圖12所示，當電風扇吹風時，發現干冰上方白霧增多，同時干冰量快速減少，發現溫度計示數急劇下降，達到零下80.1℃.如此直觀的實驗現象，很好地說明了干冰升華時是需要吸熱的.

利用干冰做升華吸熱實驗，實驗現象可視化，有利于學生建構知識.在課堂上經歷類似科學家的論證過程，有利于學生批判思維等高階思維能力及科學認知等核心素養的培養.同時，該實驗裝置簡單，操作方便，實驗時間短，便于在課堂上演示實驗或學生分組實驗探究.

參考文獻：

[1]蔡麗.“碘升華吸熱”演示實驗的改進[J].湖南中學物理，2020（11）：66-67.

[2]葉志，汪虎，許永剛.注液態二氧化碳在礦井防滅火中的應用[J].科學技術創新 2021（26）：122-123.