关于干冰升华实验的思考

道晓蕊

(南京市第十八中学，江苏 南京 210022)

“物态变化复习”的课堂上，教师通常用棕色小玻璃瓶、气球、少量干冰等器材让学生进行分组实验，以体验升华等物态变化. 具体做法是：将少量干冰置于棕色小玻璃瓶内，用气球封住瓶口. 实验中，学生观察到气球不断膨胀，据此得出“干冰升华变为气体”的结论；且由观察到瓶壁出现白霜，得出“白霜是由水蒸气凝华形成”. 教师以此演示升华、凝华的实验，但是笔者对实验的合理性存疑，为何采用小棕瓶及该如何解释气球膨胀现象. 另外，气球膨胀到一定程度会爆裂，有一定的危险，实验中应有所规避或解决.

1 存疑问题

1.1 探究采用棕色瓶子的合理性

通过检索相关文献发现类似实验方法主要有2种，一是采用棕色瓶子[1]，如图1所示；二是采用试管[2]，如图2所示. 这2种方法都是用气球封口，观察到气球膨胀，说明干冰发生了升华现象. 关于采用棕色瓶子的缘由，亦有相关叙述[1]：将干冰装在深色药瓶里后，瓶壁的白霜得到衬托，现象明显了，凝华现象的可视性意图得到了实现. 而事实上，凝华现象是明显了，但是何以断定瓶子里干冰只发生升华，即没有出现液态，实验无法直接观察.

图1 采用棕色瓶和气球的升华实验

图2 采用试管和气球的升华实验

另外采用棕色瓶子是否是基于棕色瓶子吸热能力强的考虑，笔者进行了相关实验. 取2个大小相同的瓶子，分别是棕色和无色，容积均为72 mL. 将它们长时间静置于实验室内，采用DIS设备，温度传感器精度±0.5 ℃，分辨率0.05 ℃，测得其内部温度相同，测量结果如图3所示.

图3 室内照明条件下棕色、无色瓶内温度对比

实验发现，由于实验室内的LED灯属于冷光源，且与瓶子距离较远，因此瓶内温度无明显差异. 为了验证笔者对吸热考虑的合理性，改用白炽灯作为光源，并加以环境温度作为参照对比，再次进行实验，实验装置如图4所示. 实验时尽量靠近两瓶子，使光源到两瓶子大致等距. 实验前，瓶内温度和环境温度如图5所示(最上面所示的温度为棕色瓶内气体温度；中间所示的温度为透明瓶内气体温度；最下面所示的温度为环境温度).

图4 对比棕色、无色瓶吸热能力装置图

图5 实验前两瓶内气体温度及环境温度

15 W的白炽灯与两瓶的距离为10.7 cm，打开白炽灯开始计时，根据软件采集到的数据拟合出温度计示数变化的曲线，如图6所示.

图6 白炽灯与2瓶距离10.7 cm时，瓶内温度的变化曲线

实验发现，棕色瓶内气体温度变化曲线的斜率更高. 实验前，两瓶内气体温差为0.2 ℃，由于温度传感器精度±0.5 ℃，此温差属系统误差. 实验结束时，两瓶温差为0.3 ℃，差值增大0.1 ℃，而温度传感器分辨率0.05 ℃，故0.1 ℃系有效数据，表明在光源相同时，棕色瓶的吸热能力较无色瓶更强.

为使实验结论更具有普遍性，笔者改变白炽灯与玻璃瓶之间的距离，多次实验,得到如图7～8的图像.

图7 白炽灯与两瓶距离36 cm时，瓶内温度的变化曲线

图8 白炽灯与两瓶距离155 cm时，瓶内温度的变化曲线

实验发现，当白炽灯距离瓶子较近时，棕色瓶的吸热能力确实强于无色玻璃瓶. 但当白炽灯距离瓶子较远时，几乎对瓶内温度无影响. 这表明笔者对吸热的考虑是合理的，但是不适合课堂教学环境. 故笔者认为采用棕色瓶子不合理.

1.2 气球膨胀的原因

气球膨胀的原因可能有2种：一是瓶内干冰升华为气体，使瓶内气体增多；二是由于瓶子和气球内原先就有部分空气，这些空气受热膨胀，体积变大. 若要排除第2种可能，教师应该让学生先明了升华吸热，导致瓶内气体温度降低，从而排除瓶内空气受热膨胀的可能性，才能说明气球膨胀是生成了二氧化碳气体所致.

1.3 实验安全须保障

气球膨胀到一定程度，会爆裂. 由于是学生分组实验，学生实验时靠得很近，气球爆裂具有一定的危险性，授课教师以及现有文献均未提供解决方案，亦未对此危险作任何警示.

1.4 实验可视化不成立

物理实验讲究“眼见为实”，但是图1中的棕色瓶子不透明，上方又密封了有色气球，无法看到瓶内. 而图2采用试管，理论上可以看清管内干冰物态变化的细节，但是如图2所示的情境，底部外侧出现了1层白霜，厚厚的白霜裹住试管底部，仍无法看到内部干冰，从试管侧上方向下观察，由于视线受阻，也不一定能看到内部，内部干冰状态无法判断.

1.5 球内气体温度不降反升

为防止学生用手接触干冰发生冻伤危险，教师都会在实验前强调切勿用手去触碰干冰. 故在实验中，对于干冰的升华吸热，学生没有直观感受，都是通过观察容器外壁出现白霜来推断升华吸热的. 由于学生无直观感受亦无测量数据，通常会用手去触摸容器来感受其温度变化，以此来推断升华过程中的吸热、放热情况.

以南京地区为例，大约10月中旬教授此内容，其时气温约22 ℃. 实验前，瓶子温度等于室温，一般学生不会去触碰瓶子. 实验中，学生再用手去触碰瓶子，会明显感到冷，但瓶子温度始终低于人体温度，用手触摸瓶子，当然会感觉到冷. 所以这种直观感受其实并不能说明问题.

若人手直接去触碰气球，反而有暖和的感觉，其原因为：首先，气体膨胀会对气球做功，气球温度升高可能是由于做功所致，其次，气球及气体质量小，气球本身是热的不良导体，球内的二氧化碳气体不流动，隔热性能更好，其热传导率很小，所以手触摸气球的感觉会和触摸玻璃瓶的感觉截然相反，感到较热.

2 实验的改进

2.1 实验方案

针对以上问题，基于测量精度和数据记录考虑，采用DIS实验及自封口的长条形塑料袋进行实验，但是密封较为困难. 为使温度传感器探头深入袋内，塑料袋宜深不宜浅，放入干冰，尽量排尽空气，再放入传感器探头，用橡皮筋扎口，如图9所示. 待干冰升华，袋体鼓起后，调整探头，使探头不触碰塑料袋，调整过程中，手不能触碰袋体，以避免给袋体加热. 由于袋体容积较小，约850 mL，干冰升华，只需要1～2 min即可令袋体完全膨胀.

图9 温度传感器密封至塑料袋

2.2 实验与分析

由于塑料袋具有一定的隔热性，袋内气体与室内空气的热传递不会过快，因此便于观察到袋内气体温度的变化. 为排除环境温度对实验结果的干扰，笔者事先选取了2只规格相同的温度传感器. 初始时感温探头均置于空气中，发现2只温度计示数均为19.6 ℃，如图10所示. 将一只温度计如图9所示放置，测量袋内气体的温度，另一只放置在桌面上用于测量周围环境温度.

在温度计插入塑料袋后开始计时，软件根据采集到的数据自动绘制2只温度计示数的变化曲线，如图11所示. 图11中，对于曲线0所测的袋内气体温度，由于将温度传感器装入袋内时，已经干扰了袋内气体所处系统，导致初始温度有所变化. 实验发现，开始时，随着袋内干冰迅速升华，塑料袋开始膨胀，并伴有“噼里啪啦”的塑料袋被胀开的声音，袋内温度计示数不断上升，最多升高0.8 ℃. 袋内气压大到一定程度时，塑料袋由于膨胀发出的声音逐渐减弱，最后消失，此时袋内气体温度明显下降，查看塑料袋，发现其表面出现撕裂现象，如图12所示.

图10 实验前温度计示数

图11 用2只温度计测温度的变化曲线

图12 塑料袋撕裂

实验初始阶段，袋内气体温度上升，可以从做功方面来解释：袋内气体膨胀的同时，袋子也在压缩气体，等同于袋子对气体做功，因此气体温度升高. 直到塑料袋内气压足够大，塑料袋被撑裂，袋内气体开始泄漏，此时袋内气体温度下降. 对于此现象，笔者认为此时气体对外做功，内能减小，温度降低.

曲线1所测的是环境温度，传感器原先置于远离塑料袋处，温度保持不变. 实验中将其移至塑料袋下方，发现测得的温度下降，表明干冰升华吸热导致塑料袋底部周围空气温度降低，这部分相对较冷的空气下沉，就是该曲线下降的缘由. 将传感器移离塑料袋下方，曲线逐渐恢复到原先温度. 该曲线可以用来说明升华吸热. 而袋内气体温度曲线恰好与升华吸热相悖，其并非升华吸热的理论错误，而是压缩气体做功改变了内能. 这恰好验证了关于人手触摸气球的直观感受的分析是正确的.

为了进一步分析，在上次实验设计基础上继续改进，再次实验. 采用3只相同规格的温度计，1只温度计挂在铁架台的上方用于测量室内温度；1只固定于塑料袋的下方，测量干冰升华对周围空气温度的影响；1支温度计插入袋内，测量袋内气体温度. 实验装置如图13所示.

图13 测量袋内气体温度装置图

温度计开始插入塑料袋时记录数据，电脑绘制出的温度随时间的变化图像如图14所示.

图14 用3只温度计测温度的变化曲线

实验时，实验者会凑近塑料袋观察下方的霜和“白气”，引起周围空气扰动，因此曲线2温度发生了波动. 但仍可以发现塑料袋下方气体温度明显低于环境温度. 为了使实验结论更具有普遍性，笔者再次进行实验，实验图像如图15所示.

图15 重复实验中温度的变化曲线

图14～15所示袋内气温没有出现图11所示的一段快速下降的现象，其原因在于这2次袋体没有撑裂，气体是从橡皮筋扎口处缓慢往外泄压，故袋内气温变化甚微. 故笔者推断，图1所示的气球，其内部气温升高程度理应更加明显，其在爆裂前应该不会下降，但是由于器材所限，无法实际测量.

3 结束语

源于一个偶然的机会，令笔者在教学中采用干冰进行升华、凝华实验的教学时，尝试设计了更多的相关实验． 同时也正是由于教育现代化程度的普及和提高，让普通中学得以利用DIS进行高精度的实验测量． 实验中的一些偶然发现，更令笔者有了新的思考． 当笔者将经过改进的实验再次呈现给学生时，学生经历了更加生动、直观的情感体验，对相关物理知识有了更进一步的理解． 作为教师，也深刻意识到，平时工作中需要时刻注意积累教学素材，充实丰富自己的教学经验． 止于至善，应该是全体教师的共同追求；教学相长，师生永远在携手同行．