水的凝固与冰的熔化实验演示仪

吴龙忠

摘 要：汽车空调用制冷剂是一种环保型制冷剂，通过自制降压管，将液态制冷剂引入真空保温玻璃杯内，制冷剂发生节流膨胀，杯内温度急剧下降.利用类似原理制作教具可以先做水凝固实验再做冰熔化实验.为了保证水受冷均匀、减小实验误差、保护试管和温度计不被冻碎，笔者通过医用注射器和输液管连接金属毛细管在水受冷过程中向水中注射气泡，对试管内的水进行“搅拌”.透过真空保温玻璃杯壁可以直观地观察到试管内水的凝固过程.

关键词：环保型制冷剂;快速制冷;新材料;自制教具

文章编号：1008-4134（2019）18-0017中图分类号：G633.7文献标识码：B

冰的熔化实验既是初中物理教学中的重点实验，也是难点实验.传统获取冰的方法有三种：一是利用冰箱制冰.课前将水放入冰箱内冷冻，待水凝固后将冰取出，然后对冰块采取保温措施，上课时将冰带到教室粉碎后装入试管，并在试管内插入温度计显示冰融化时的温度;二是利用低温的酒精或食盐水制冰.课前利用冰箱对酒精或食盐水进行冷冻，然后将低温的酒精或食盐水装入保温装置中，将水装入试管并在试管内插入温度计，再将试管投入低温的酒精或食盐水中进行冷冻，待试管内的水凝固后取出试管，进行冰的熔化实验演示;三是使用干冰制冰.将水装入试管并在试管内插入温度计，再将试管放入盛放干冰的容器内（提前准备好干冰）进行冷冻，待试管内的水凝固后，从试管内取出冰块，再进行冰的熔化实验演示.采用以上传统方法开展冰的熔化实验不仅操作复杂、费时费力、课堂效率低，而且描绘冰熔化的温度曲线时会出现较大的误差，往往出现冰熔化时温度计示数低于0℃的现象.为了解决以上实验教学中的难题，笔者自制了水的凝固与冰的熔化实验演示仪，使用自制的降压管配合其他附件将汽车空调使用的环保型制冷剂（化学成分为四氟乙烷，具有良好的安全性能，不易燃，不爆炸，无毒，无刺激性，无腐蚀性）引入真空保温玻璃杯内，发生节流膨胀，快速降温，获得低温环境，安全高效地开展水凝固及冰熔化实验.

1 演示仪优点

快速制冷：可以在5秒内获得零下26℃的低温环境，可以在2分钟内快速制冰;

透過真空保温玻璃杯壁可以直观地观察到水的凝固实验;

采用向试管内的水中注射气泡的方法对水进行“搅拌”，确保受冷均匀;

利用本仪器可以随堂演示水的凝固实验和冰的熔化实验;

向试管内的水中加入适量清洁球金属丝，起到良好的导热作用，显著减小误差;

一套仪器可以满足多组实验.

2 制作演示仪需要的主要器材

真空保温玻璃杯，若干冷配件：单向阀一个，外直径为 2mm 的长度为90cm的中空毛细管一段，开瓶阀一个，加液管一个，罐装的制冷剂 一瓶，外直径为6mm、长度约10cm的铜管一段.

3 制作演示仪的方法

准备一个高度约15cm、直径约6.5cm的真空保温玻璃杯，用25mm的开孔器在真空保温玻璃杯盖上以盖的中心为圆心钻一圆孔，保证刚好可以插入一只外直径约25mm的试管.在圆孔的外围距孔边缘2mm处用钻头再钻2个直径约2mm 的小圆孔.

向真空保温玻璃杯内加入深度为5cm的水泥混凝土，混凝土晾干后与玻璃杯牢固结合在一起、可以作为玻璃杯的配重，降低玻璃杯的重心，实验时保证玻璃杯稳定，如图1所示.

将直的毛细管一端靠在外直径为 15mm的试管上，使用金属丝紧密环绕约16 匝，制成一个螺线管，毛细管的另一端保持直管状态，长约20cm.

将螺线管的起始端插入一段长约10cm、直径为6mm的直铜管内，插入深度约3mm，将直铜管的另一端与单向阀连接，使用磷铜焊条和焊具将接头处焊接起来，这样就制成了一个降压管.如图2所示.

从金属清洁球上取适量的金属丝，蓬松、均匀地放入试管底部，然后用带孔的橡胶塞塞紧试管口，将液体温度计通过橡胶塞中央的孔插入试管底部金属丝中.

将长约20cm 、外直径为 2mm 的笔直中空毛细管一端通过橡胶塞中央的孔插入试管底部，毛细管紧靠着温度计的背面.毛细管的另一端弯折后与医用输液管、注射器连接，如图3所示.

实验所需器材按照顺序摆放，从左到右依次为开瓶阀、罐装制冷剂、加液管、降压管和真空保温玻璃杯，如图4所示.

将开瓶阀套在装有制冷剂的金属罐上，通过旋转阀体将开瓶阀固定在金属罐上，然后用加液管将开瓶阀与降压管通过金属对接头连接起来，将降压管的直管部分通过真空保温玻璃杯瓶盖上的小孔插入杯底部，如图5所示.

4 使用演示仪的方法

对真空保温玻璃杯进行排空气.将装有制冷剂的金属罐正立，顺时针旋转开瓶阀上的旋钮数圈，旋钮下方的金属针下移直至戳破金属罐，然后再逆时针旋转开瓶阀的旋钮提起金属针，金属罐内高压的气态制冷剂通过加液管、降压管进入真空保温玻璃杯底部，将玻璃杯内的空气排出，通气数秒，玻璃杯内空气被全部排出.防止实验过程中玻璃杯内温度降低时，空气内的水蒸气液化后附着在杯壁和试管壁上，使杯壁变得模糊，影响观察水的凝固过程及温度计示数的变化.

利用制冷剂的节流膨胀获得低温环境.将盛制冷剂的金属罐倒立，高压的液态的制冷剂经过开瓶阀、加液管、降压管流入玻璃杯内，因为降压管中有一段较长的内径很小的毛细管，且呈螺旋管状，液态制冷剂流经该部分时受到很大的阻碍，从降压管末端流入玻璃杯时，压强骤然减小，液态制冷剂发生节流膨胀、由液态汽化为气态、同时吸收大量热量，玻璃杯内温度急剧下降.因为是真空保温玻璃杯，所以杯内外不容易发生热交换，历时5秒后，杯内温度快速降至制冷剂的沸点，大约零下26℃，此时流入玻璃杯内的液态制冷剂不再汽化，玻璃杯内液态制冷剂越来越多，直至金属罐内的液态制冷剂全部流入玻璃杯内.玻璃杯内的空间相当于冰箱的冷冻室，制冷剂不断沸腾，温度稳定在零下26℃ .

5 演示水凝固实验

用医用注射器吸取约7ml、初温为27℃的纯水，连接医用输液管及金属毛细管将水注射到试管内（如图3所示）.

将试管从玻璃杯盖的孔中慢慢插入杯内液态制冷剂中，直至试管装水部分全部浸入液态制冷剂中（试管可以直立在杯中，不需要使用铁架台固定）当试管底部接触液态制冷剂时，可见液态制冷剂中立刻产生大量的气泡，即制冷剂开始剧烈沸腾，从试管内水中快速吸收热.制冷剂在沸腾过程中不断运动，与试管充分接触，有利于从试管及其内部的水中快速吸收热量.温度计玻璃泡处的水与靠近试管壁的水之间存在较大的温度差，即靠近试管壁的水先降温，温度计示数变化滞后于靠近试管壁的水温变化.为了减小试管内水的温差、减小误差，可以将试管放入液态制冷剂中，注射器连接医用输液管，通过金属毛细管向水中间断注射气泡的方法，对水进行“搅拌”，确保水受冷均匀，温度计示数马上开始下降;加入水中的金属丝是热的良导体，也可以缩小温度差，从而显著减小温度计测量误差、保护温度计及试管不被冻碎.历时约2分钟试管内水温度从27℃降至0℃，此时停止注射气泡.透过真空保温玻璃杯壁可见玻璃杯内呈现冰火两重天的现象：液态制冷剂持续沸腾、温度保持零下26℃，继续从试管吸收热，试管内部有冰出现，冰逐渐增多，水逐渐减少，水在不断凝固，温度计示数维持在0℃不变，直至水全部凝固，此时液态制冷剂继续沸腾，继续从试管内部吸收热量，温度计示数又开始下降.

6 演示冰的熔化实验

在水凝固实验中，当温度计示数下降到大约零下4℃时将试管从玻璃杯中取出，用铁夹夹住试管上部，将试管固定在铁架台上，对试管内的冰进行空气浴，试管及内部的冰从空气中不断吸收热量，可见温度计示数开始升高;当温度计示数达到0℃时，继续吸收热量，温度计示数不再升高，冰在不断熔化、减少，水在不断增加;当冰完全熔化，继续吸收热量，温度计示数又开始升高.因为冰是热的不良导体，所以熔化前，温度计玻璃泡处的冰与靠近试管壁的冰之间存在一定的

温度差，即温度计测量值低于靠近试管壁的冰的温度值，但是冰内的金属丝是热的良导体，能有效降低内层冰与外层冰之间的温度差，减小测量误差.为了节省实验時间，加快试管内的冰从空气中吸收热量，还可以用微风电风扇对准试管内的冰吹风，加快空气流动，或者使用水浴法.

参考文献：

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