今天看到網(wǎng)易博友195（江西南昌）給《分離食鹽與水的武器——酒精燈》一文的留言：酒精燈的火焰外焰溫度最高，內(nèi)焰第二，焰心的溫度最低 這個(gè)觀點(diǎn)長(zhǎng)期以來(lái)一直是錯(cuò)的。用火柴等東西在外焰燒灼最劇烈是因?yàn)橥庋嫜鯕舛?，所以化學(xué)反應(yīng)劇烈，看起來(lái)燒得厲害而已。 真正溫度測(cè)量要用儀器測(cè)量不能想當(dāng)然，關(guān)于這方面實(shí)驗(yàn)可以上網(wǎng)搜到實(shí)際證明，不能想當(dāng)然看化學(xué)反應(yīng)情況就判斷溫度。
看后感觸頗深，于是查閱相關(guān)資料并尋人求證，對(duì)自己的幫助很大，現(xiàn)將網(wǎng)上找到的錢(qián)揚(yáng)義教授的文章轉(zhuǎn)載到博客
《在掌上實(shí)驗(yàn)室探究酒精燈火焰溫度——得出不同的結(jié)論》
摘要 本文介紹在掌上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的酒精燈3層火焰溫度的探究實(shí)驗(yàn)，探討酒精燈3層火焰溫度的大小及其關(guān)系。
關(guān)鍵詞 掌上實(shí)驗(yàn)室 酒精燈 火焰溫度 探究實(shí)驗(yàn)
前言
酒精燈是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的熱源。酒精燈的火焰可以分為3部分：焰心、內(nèi)焰和外焰。焰心是我們觀察到的比較暗的部分；內(nèi)焰是最明亮的部分，呈黃色；外焰顏色比內(nèi)焰淡，而且常飄忽不定。一般地認(rèn)為酒精燈火焰溫度在500℃左右，并且焰心、內(nèi)焰和外焰的溫度依次增高，其理論依據(jù)是：外焰燃燒充分，溫度最高。因此在要用到酒精燈加熱的實(shí)驗(yàn)中，都強(qiáng)調(diào)要用外焰加熱。
酒精燈3層火焰的溫度各有多少度？3層火焰的大小關(guān)系怎樣，是不是像前面敘述的那樣？酒精燈可以獲得的最高溫度又有多大？這些都是定量的研究，在傳統(tǒng)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下難于開(kāi)展。中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行定性研究，通常的做法是用一根火柴梗在酒精燈火焰上加熱，根據(jù)火柴梗不同部位炭化速度的快慢來(lái)判斷各層火焰溫度的高低。掌上實(shí)驗(yàn)室使中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)從定性研究走向定量研究成為可能。掌上實(shí)驗(yàn)室是由手持技術(shù)(Hand held technology)與計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成的現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，其中手持技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集器(Data logger)和各種傳感器(Sensor)或探頭(Probe)，它們能便攜地、定量、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。本實(shí)驗(yàn)在掌上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，對(duì)上面3個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探究。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)方案
酒精燈的3層火焰常有跳動(dòng)，因此不能直接手持探頭測(cè)量3層火焰的溫度。本實(shí)驗(yàn)用如圖1所示的裝置進(jìn)行，探頭從燈芯位置開(kāi)始，通過(guò)調(diào)節(jié)燈座的高度，依次測(cè)量酒精燈各部分火焰的溫度。測(cè)量的原則是：每隔50s調(diào)整一次探頭的位置(用調(diào)節(jié)燈座的高度的方法)以測(cè)量不同部位火焰的溫度；每次調(diào)整的高度為0.5cm(以直尺為標(biāo)度)；調(diào)整的時(shí)間為10s，在10s內(nèi)提前完成調(diào)整的，夠10s后方重新計(jì)時(shí)。
由于火焰經(jīng)常跳動(dòng)，測(cè)量火焰各部位瞬時(shí)溫度，其意義不大。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果是各個(gè)部位(每個(gè)部位采集50個(gè)數(shù)據(jù))的平均溫度，實(shí)驗(yàn)平行地進(jìn)行3次。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
Mutilog Pro數(shù)據(jù)采集器 高溫探頭(DT025) 直尺 酒精燈及普通燈用酒精 鐵架臺(tái) 升降燈座
DT025是一個(gè)K型熱電偶溫度探頭，量程范圍為0℃~1250℃。探頭同時(shí)配備一個(gè)適配器(The DT025 Thermocouple type K adapter)，適配器內(nèi)配備另外一個(gè)溫度探頭，用來(lái)校正熱電偶的冷端在室溫下產(chǎn)生的溫度偏移。DT025的工作原理是：熱電偶產(chǎn)生感應(yīng)電壓(數(shù)量級(jí)為10-3V)，這個(gè)電壓經(jīng)由適配器校正并放大，調(diào)節(jié)到0~5V(數(shù)據(jù)采集器接收的電壓范圍)；數(shù)據(jù)采集器接收相應(yīng)的電壓，將其轉(zhuǎn)換成正確的結(jié)果并保存在采集器內(nèi)存中，以供進(jìn)一步用計(jì)算機(jī)處理時(shí)調(diào)用。DT025探頭在出廠時(shí)已經(jīng)充分校正，整個(gè)量程范圍的最大誤差為±0.5%。
1.3 實(shí)驗(yàn)步驟
（1）將DT025及其適配器和數(shù)據(jù)采集器的Input 1端口連接起來(lái)(如圖1)；
（2）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置其采樣頻率為1 per sec，采集數(shù)據(jù)總數(shù)為2000(足量)；
（3）調(diào)節(jié)探頭位置，使其與燈芯相貼，記下此時(shí)燈座位置刻度，點(diǎn)燃酒精燈，待火焰穩(wěn)定后，采集燈芯溫度數(shù)據(jù)；
（4）每次以0.5cm為單位，調(diào)低燈座，連續(xù)采集相差0.5cm火焰的溫度數(shù)據(jù)，每次采集50個(gè)，時(shí)間為50秒；測(cè)量時(shí)將焰心、內(nèi)焰、外焰的位置記錄下來(lái)；
（5）將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，用Db-Lab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及圖表繪制并將數(shù)據(jù)輸出到Microsoft Excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
2 數(shù)據(jù)處理和討論
圖2，圖3，圖4是用Db-lab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(3次平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))所得到的酒精燈各部分火焰溫度曲線圖?；鹧婷總€(gè)部位(2個(gè)部位之間相差0.5cm)的采集時(shí)間為50s，燈座高度的調(diào)節(jié)時(shí)間為10s，因此時(shí)間軸上每1min表示火焰高度相差0.5cm，這3個(gè)圖是用這種方法來(lái)表示的火焰不同部位的溫度變化曲線。
2.1 焰心、內(nèi)焰和外焰的出現(xiàn)位置
在本實(shí)驗(yàn)中，焰心、內(nèi)焰和外焰3次出現(xiàn)的位置非常吻合，焰心出現(xiàn)在0~2.5cm高度范圍內(nèi)，內(nèi)焰出現(xiàn)在3.0cm~4.0cm高度范圍內(nèi)，外焰在4.5cm以外。(以上均以燈芯平面作為高度參考面)。
2.2 酒精燈火焰溫度隨高度的變化情況
分析上面3圖，有：
（1）焰心、內(nèi)焰部分的曲線較為平滑，燈芯的溫度(見(jiàn)表1)甚至與室溫相差無(wú)幾，而外焰部分曲線則劇烈波動(dòng)。酒精是極易揮發(fā)的燃料，燃燒時(shí)在酒精燈燈芯上方形成酒精蒸氣，最外層的酒精蒸氣與外界大氣接觸，燃燒時(shí)與空氣的能量交換劇烈，因此外焰溫度極不穩(wěn)定，在上面3個(gè)圖中表現(xiàn)為曲線劇烈波動(dòng)；中層和內(nèi)層蒸氣得到外層蒸氣的保護(hù)，受外界空氣的影響較小，因此內(nèi)焰和焰心波動(dòng)較小，溫度比較穩(wěn)定，在上面3個(gè)圖中表現(xiàn)為曲線比較平滑。
（2）最高溫度并不是出現(xiàn)在外焰，而是出現(xiàn)在內(nèi)焰。外焰的酒精蒸氣受外界空氣影響較大，而且和外界空氣的能量交換劇烈，火焰的溫度受到很大的影響；焰心部位因空氣較稀薄，酒精蒸氣燃燒不充分，因此焰心的溫度不高。內(nèi)焰酒精蒸氣穩(wěn)定，與空氣接觸適中，燃燒較充分，發(fā)出的光最明亮，因此最高溫度在內(nèi)焰出現(xiàn)。
圖5是3個(gè)實(shí)驗(yàn)的溫度曲線的整合圖，3條曲線比較接近，因此，3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)是合理的，能正確地反映酒精燈火焰的溫度變化情況。
2.3 火焰各部位的溫度
利用Db-Lab軟件的數(shù)據(jù)輸出功能，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出到Microsoft Excel2000中對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。
從表1數(shù)據(jù)中可以看出，酒精燈火焰的內(nèi)焰溫度最高，外焰次之，內(nèi)焰最小。實(shí)驗(yàn)證明?“越往外焰酒精燃燒就越充分，放出的熱量就越多，溫度也就越高”這種說(shuō)法是不正確的。
2.4 火焰的最高溫度
在進(jìn)行的3次平行實(shí)驗(yàn)中，火焰的最高溫度都出現(xiàn)在內(nèi)焰(圖2、圖3和圖4中箭頭所示)。最高溫度是一個(gè)瞬時(shí)的數(shù)值，受諸多因素的影響，如酒精的純度、酒精的蒸發(fā)情況等，而且不同的酒精燈獲得的最高溫度也不同。本實(shí)驗(yàn)中采用的酒精、酒精燈都是普通的燈用酒精、實(shí)驗(yàn)室酒精燈，燈壺的總?cè)萘繛?90mL，約裝有110mL的酒精，為總?cè)萘康??/3。
表2是3次平行實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的最高溫度及其出現(xiàn)時(shí)間、出現(xiàn)位置等數(shù)據(jù)。
3 結(jié)論
（1）酒精燈3層火焰溫度的大小順序?yàn)椋貉嫘?lt;外焰<內(nèi)焰，焰心和內(nèi)焰溫度較穩(wěn)定，外焰溫度不穩(wěn)定，劇烈波動(dòng)；
（2）焰心的平均溫度為432.3℃，內(nèi)焰的平均溫度為665.5℃，外焰的平均溫度為519.9℃；
（3）最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)焰，酒精燈可以獲得的最高溫度為695.2e(平均值)。
個(gè)人感悟：
近年來(lái)的研究表明：酒精燈火焰溫度的高低順序?yàn)椋簝?nèi)焰＞外焰＞焰心。一般認(rèn)為酒精燈的外焰溫度最高，其原因是酒精蒸汽在外焰燃燒最充分；同時(shí)由于外焰與外界大氣充分接觸，燃燒時(shí)與環(huán)境的能量交換最容易，熱量散失最多，致使外焰溫度低于內(nèi)焰。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常給燈焰加一個(gè)燈罩，以減小空氣流動(dòng)對(duì)燈焰的影響。我們通過(guò)實(shí)際測(cè)定得知，加燈罩后外焰溫度變化明顯，比不加燈罩時(shí)提高100℃左右，其原因是不加燈罩時(shí)，外焰受外界影響最大，加燈罩后，可起到使燈焰穩(wěn)定、提高加熱溫度的作用。而內(nèi)焰和焰心原本就有外焰的保護(hù)，受外界影響小，因此內(nèi)焰和焰心的溫度與不加燈罩時(shí)變化甚小。
小木條在酒精燈火焰中的炭化能否證明酒精燈火焰的溫度高低？木材的炭化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，其炭化程度是由受熱的溫度、受熱的時(shí)間和氧氣的含量等多種因素共同決定。因此，木條的炭化程度不能反映酒精燈火焰溫度的高低。目前，有些化學(xué)教材中仍然采用木條在酒精燈火焰中的炭化實(shí)驗(yàn)作為酒精燈火焰溫度高低的探究實(shí)驗(yàn)，這不僅在實(shí)驗(yàn)方法的條件控制上是不夠科學(xué)的，同時(shí)，還在實(shí)驗(yàn)結(jié)論上與目前的研究結(jié)果相矛盾。
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