升华吸热可视化实验

张敏红

【摘要】固体升华需要吸热是涉及物相变化的基本规律.本文探索性采用固体碘升华实验和固态二氧化碳（干冰）升华实验来验证此规律，通过这两个可视化实验来分析、比较两个实验的灵敏度、可重复性和实验操作的可控性，拓展了学生的认知深度和广度，给出了采用固态二氧化碳进行实验更为合理，实验现象也更为明晰.

【关键词】可视化；升华吸热；碘；干冰

1 问题提出

苏科版物理八年级上册“升华和凝华”一课中，对于升华吸热这个知识点，课本没有另外安排具体的实验来进行论证.在“碘升华”实验中，利用水浴法对碘锤进行加热，能观察到碘锤内出现了紫色的碘蒸汽，根据碘升华时需要对其加热这一现象，让学生感知到升华是需要吸热的.有了之前汽化过程需要吸热这一知识储备，绝大多数学生对于升华吸热这一知识点还是比较容易接受的，但是也有部分学生提出质疑：仅凭“对碘加热”这一点，无法推断出升华需要吸热，有可能是碘吸热升温.引导学生进一步思考：能否设计可视化实验来证明升华是需要吸热的呢？

2 碘升华吸热实验

基于“可视化”目标引领，采用对比实验，将两个相同的锥形瓶放在同一个水槽内，其中一瓶内装碘（左瓶），另一瓶为空瓶，将数显温度计的探头均放在瓶内靠近瓶口处，两瓶初始温度均为23℃（图1），在水槽内倒入热水，发现两温度计示数均升高，而且装有碘的瓶内气温升高得更快（图2）.由现象可知，该实验无法说明碘升华需要吸热.分析原因：可能因为碘的导热性能比空气好，导致碘瓶内温度升高得快.

实验改进：在两个瓶内放入等量的碘，但是使其中一瓶内的碘不发生升华现象或升华现象缓慢.查阅资料得知：南京的蔡丽老师对此实验也做过相应的研究，并发表了论文“碘升华吸热演示实验的改进”[1].模仿蔡老师的实验思路，我们也进行了类似的实验探究，在两个相同的锥形瓶内，装入相同量的碘，其中一份碘用保鲜膜包裹（左瓶）.放在同一个水槽内，两瓶内初始温度均为22.2℃（图3）.在水槽内倒入大约40℃的热水，两温度计示数均开始升高，而且一开始升高速度基本一致，加热1分30秒时，两瓶温度均为26℃（图4）.加热大概2分钟后，碘没有包裹的瓶内（右瓶）出现了大量紫色碘蒸汽，而且该瓶内温度计示数开始出现略低现象，比另一瓶温度低0.4℃（图5）.但这一现象持续时间很短，几秒钟后，右瓶的温度计示数升高速度便超过了左瓶，在加热2分20秒时，右瓶温度已比左瓶温度高0.5℃（图6）.此时，拿出右瓶内的温度计探头，发现上面有很多紫色的晶体（图7），也就是紫色的碘蒸气已在探头上发生凝华现象.分析右瓶温度反超左瓶的原因，应该是由于碘蒸气凝华放热，导致后期温度要比另一个瓶子上升得快.

分别改变温度计探头在锥形瓶内的位置、水槽内的水量以及水温等因素，进行多次实验.发现有时两瓶内升温快慢基本相同，有时碘未包裹的瓶内气温升高速度明显要比另一瓶子快，有时又比另一瓶子慢.分析原因，碘升华吸热的同时，热水在不断给瓶子供热，温度计显示的是探头处的温度变化，因此，热水的水量、水温，碘的多少、温度计的探头位置均会影响到实验结果.实验现象不稳定，给实验探究带来了很多的不确定性，实验结果也就具有偶然性.

另外，在实验中，可以看到当碘升华时，瓶内充满紫色的碘蒸气，此时，温度计探头测量的是碘蒸气的温度，另一个瓶内温度计测的是空气的温度，由于碘蒸气和空气的热导率、比热容均不同，这些变量都会影响升温速度.所以，用此对比实验来说明碘升华需要吸热是不严谨的.

3 干冰升华吸热实验

将干冰放在敞口容器中，用温度计直接测干冰温度，发现温度计示数显示为零下70多℃，同时观察到干冰逐渐减少，说明干冰在升华.但此实验无法说明干冰升华吸热，因为百度资料显示：干冰的最低温度可达零下78.5℃.

采用对比实验：将干冰储存在泡沫盒内，盖紧盒盖，干冰升华速度明显减慢，用温度计测出此时干冰的温度为零下72.5℃（图8），打开泡沫盒盖，由于受到环境温度的影响，温度计的示数上升为零下72.4℃（图9），但很快示数开始下降，达到零下73.5℃（图10）.

查阅资料，由二氧化碳的三相图可知[2]（图11），在相同的环境温度下，降低干冰上方压力，可以加快干冰升华.如何降低干冰上方气压呢？分析可知，当干冰升华时，固体二氧化碳直接变为气态二氧化碳，由于二氧化碳的密度大于空气密度，所以当干冰升华时，二氧化碳气体会聚集在干冰上方.设法减小干冰上方的二氧化碳气体浓度，从而减小干冰上方气体压强，就可以加快干冰的升华.

基于以上思考，当干冰升华时，用电风扇来吹散上方的二氧化碳.如图12所示，当电风扇吹风时，发现干冰上方白雾增多，同时干冰量快速减少，发现温度计示数急剧下降，达到零下80.1℃.如此直观的实验现象，很好地说明了干冰升华时是需要吸热的.

利用干冰做升华吸热实验，实验现象可视化，有利于学生建构知识.在课堂上经历类似科学家的论证过程，有利于学生批判思维等高阶思维能力及科学认知等核心素养的培养.同时，该实验装置简单，操作方便，实验时间短，便于在课堂上演示实验或学生分组实验探究.

参考文獻：

[1]蔡丽.“碘升华吸热”演示实验的改进[J].湖南中学物理，2020（11）：66-67.

[2]叶志，汪虎，许永刚.注液态二氧化碳在矿井防灭火中的应用[J].科学技术创新 2021（26）：122-123.