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【教学论文】酒精灯加热温度的测定研究
作者：曹跃进 发表时间：2020年03月25日 浏览量：91 分享到空间
酒精灯是化学实验中经常使用的热源，其火焰分为焰心、内焰和外焰。一般认为酒精灯的火焰温度在400—500℃左右，最高可达800℃，并且焰心、内焰和外焰的温度依次升高。事实果真如此吗?在化学实验中用酒精灯作为热源，被加热的仪器(试管、烧杯等)、试剂(如CuO、KClO3等)其受热温度与灯焰温度相比，有没有变化?基于对这些问题的思考，我们做了如下的测定研究。
1 测定方案设计
为了较准确地测定酒精灯不同部位的火焰温度，我们选用铂铑－铂热电偶温度计(如图1所示)进行测定。热电偶的探头从灯芯位置开始，通过调节灯座的高度，依次测定酒精灯灯焰不同部位的温度。测定方法设计是：每隔1分钟调整一次探头的位置，每次调整高度为0.5cm(以直尺为标度)，待温度稳定后方可读数，每10秒读取一次温度值，在同一位置测定三次，取其平均值记录数据。
2 测定装置
注：该热电偶温度计量程范围为0℃ —1600℃，探头同时配备一个适配器，适配器配备另外一个温度探头，用来校正热电偶的冷端在室温下产生的温度偏移。当热电偶温度计热端被加热时，即可读取此时温度。
3 测定步骤
(1)将热电偶探头固定在与灯芯相贴的位置，记下此时位置高度，点燃酒精灯，待火焰稳定后，进行测定，读取并记录灯芯温度；
(2)将探头位置依次升高0.5cm，读取对应的灯焰温度，做好记录。
4 测定数据整理及处理
4．1 支接测定酒精灯的火焰温度
(1)灯焰各部位的温度(见表1)
表1 灯焰各部位的温度
|
|
相对灯芯高度／cm |
No.1／℃ |
No.2／℃ |
No.3／℃ |
三次测定平均温度／℃ |
各层火焰平均温度／℃ |
|
焰心 |
0.0 |
400 |
400 |
420 |
406 |
598 |
|
0.5 |
527 |
534 |
550 |
537 |
||
|
1.0 |
618 |
650 |
639 |
635 |
||
|
1.5 |
671 |
641 |
700 |
670 |
||
|
2.0 |
742 |
769 |
720 |
743 |
||
|
内焰 |
2.5 |
756 |
789 |
780 |
775 |
783 |
|
3.0 |
791 |
826 |
802 |
806 |
||
|
3.5 |
813 |
745 |
844 |
801 |
||
|
4.0 |
750 |
690 |
810 |
750 |
||
|
外焰 |
4.5 |
650 |
630 |
720 |
667 |
667 |
(2)灯焰的最高温度(见表2)
表2 酒精灯火焰最高温度
|
实验编号 |
No.1 |
No.2 |
No.3 |
|
最高温度／℃ |
860 |
860 |
880 |
|
出现位置／cm |
3.5 |
3.0 |
3.5 |
|
平均值／℃ |
867 |
||
4．2 试管受热温度的测定
(1)焰心、内陷和外焰的出现位置高度
由于测定时使用的是同一盏酒精灯，所以焰心、内焰和外焰的出现位置高度没有发生变化。
(2)灯焰各部位的试管受热温度(见表3)
表3 灯焰各部位的试管受热温度
|
|
相对灯芯高度／cm |
No.1／℃ |
No.2／℃ |
No.3／℃ |
三次测定平均温度／℃ |
各层火焰平均温度／℃ |
|
焰心 |
0.0 |
400 |
400 |
400 |
400 |
458 |
|
0.5 |
429 |
434 |
435 |
432 |
||
|
1.0 |
464 |
467 |
466 |
465 |
||
|
1.5 |
494 |
491 |
502 |
495 |
||
|
2.0 |
512 |
494 |
492 |
499 |
|
内焰 |
2.5 |
530 |
515 |
516 |
520 |
526 |
|
3.0 |
550 |
537 |
531 |
539 |
||
|
3.5 |
560 |
519 |
540 |
540 |
||
|
4.0 |
487 |
490 |
533 |
503 |
||
|
外焰 |
4.5 |
460 |
470 |
515 |
482 |
482 |
4．3 加入药品后受热温度的测定
在试管底部加入CuO粉末，管口略向下倾，固定在铁架台上；并将探头固定在CuO粉末上方，通入H2，过一会儿开始加热(用内焰)。根据观察记录，CuO开始被还原时的温度是220℃，温度上升到440℃ 时趋于稳定，此时的最高温度比不加药品时又降低约100℃。
4．4 加灯罩后酒精灯火焰温度的测定
在酒精灯的灯焰外围加一个防护网罩，测定结果为：外焰温度提高100℃左右，内焰和焰心仅提高10℃ 左右。
5 测定结果及分析
5．1 支接测定灯焰温度
(1)由表1数据可知：酒精灯三层火焰温度的高低顺序为：焰心＜外焰＜内焰，其平均温度分别为598℃、667℃、783℃；内焰最高温度可达867℃(见表2)。
多少年来，不论是教科书还是有关手册，一般都认为酒精灯的外焰温度最高，其原因是酒精蒸汽在外焰燃烧最充分。但实际上，这仅是问题的一个方面；从另一方面来分析，正是由于外焰与外界大气充分接触，燃烧时与环境的能量交换最容易，热量散失最多，致使外焰温度低于内焰。此结论已得到华南师范大学化学系钱杨义博土“掌中宝”实验的进一步证实。
(2)三层灯焰的出现位置
三次平行测定中，焰心、内焰和外焰的出现位置非常吻合。即焰心出现在0—2.0cm高度范围内，内焰出现在2.0—4.5cm高度范围内，外焰出现在4.5cm以上(均以灯芯高度作为基点)。这将为我们进行化学实验时选择灯焰温度提供了有益参考。
5．2 仪器、药品的受热温度
(1)试管受热温度的测定
将表l和表3的数据加以对比(见表4)，可以看出试管的受热温度与灯焰温度的显著差异(温度降低约140℃—260℃)。
表4 灯焰温度与试管受热温度的比较
|
焰层 |
焰心 |
内焰 |
外焰 |
|
灯焰温度／℃ |
598 |
783 |
667 |
|
试管受热温度／℃ |
458 |
526 |
482 |
|
温差／℃ |
140 |
257 |
185 |
(2)药品受热温度的测定
由前述温度测定可知，在试管中放入氧化铜粉末，通入氢气，此时的最高温度比试管直接受热温度又降低约100℃。究其原因，试管、药品本身吸收一部分热量，同时它们与环境也有一定的能量交换，从而使温度降低。这提示我们：酒精灯作为热源所提供的灯焰温度与化学反应所需温度是有较大差距的。
5．3 在化学实验中，常常给灯焰加一个灯罩，以减小空气流动对灯焰的影响。我们通过实际测定得知，加灯罩后外焰温度变化明显，比不加灯罩时提高100℃左右，其原因是不加灯罩时，外焰受外界影响最大，加灯罩后，可起到使灯焰稳定、提高加热温度的作用。而内焰和焰心原本就有外焰的保护，受外界影响小，因此内焰和焰心的温度与不加灯罩时变化甚小。
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