在掌上实验室探究酒精灯火焰温度

《在掌上实验室探究酒精灯火焰温度——得出不同的结论》
摘要本文介绍在掌上实验室进行的酒精灯3层火焰温度的探
究实验，探讨酒精灯3层火焰温度的大小及其关系。

关键词掌上实验室酒精灯火焰温度探究实验
前言
酒精灯是化学实验中经常使用的热源。

酒精灯的火焰可以分为3部分：焰心、内焰和外焰。

焰心是我们观察到的比较暗的部分；内焰是最明亮的部分，呈黄色；外焰颜色比内焰淡，而且常飘忽不定。

一般地认为酒精灯火焰温度在500℃左右，并且焰心、内焰和外焰的温度依次增高，其理论依据是：外焰燃烧充分，温度最高。

因此在要用到酒精灯加热的实验中，都强调要用外焰加热。

酒精灯3层火焰的温度各有多少度？3层火焰的大小关系怎样，是不是像前面叙述的那样？酒精灯可以获得的最高温度又有多大？这些都是定量的研究，在传统的中学化学实验条件下难于开展。

中学化学实验对这个问题进行定性研究，通常的做法是用一根火柴梗在酒精灯火焰上加热，根据火柴梗不同部位炭化速度的快慢来判断各层火焰温度的高低。

掌上实验室使中学化学实验从定性研究走向定量研究成为可能。

掌上实验室是由手持技术(Hand held technology)与计算机技术构成的现代科学实验室，其中手持技术包括数据采集器(Data logger)和各种传感器(Sensor)或探头(Probe)，它们能便携地、定量、
快速、准确地测量各种实验数据；计算机技术为实验数据的处理提供强大的技术支持。

本实验在掌上实验室进行，对上面3个问题进行探
究。

1 实验部分
1.1 实验方案
酒精灯的3层火焰常有跳动，因此不能直接手持探头测量3层火焰的温度。

本实验用如图1所示的装置进行，探头从灯芯位置开始，通过调节灯座的高度，依次测量酒精灯各部分火焰的温度。

测量的原则是：每隔50s调整一次探头的位置(用调节灯座的高度的方法)以测量不同部位火焰的温度；每次调整的高度为0.5cm(以直尺为标度)；调整的时间为10s，在10s内提前完成调整的，够10s后方重新计时。

由于火焰经常跳动，测量火焰各部位瞬时温度，其意义不大。

本实验的测量结果是各个部位(每个部位采集50个数据)的平均温度，
实验平行地进行3次。

1.2 实验仪器
Mutilog Pro数据采集器高温探头(DT025) 直尺酒精灯及普
通灯用酒精铁架台升降灯座
DT025是一个K型热电偶温度探头，量程范围为0℃~1250℃。

探头同时配备一个适配器(The DT025 Thermocouple type K adapter)，适配器内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。

DT025的工作原理是：热电偶产生感应电压(数量级为10-3V)，这个电压经由适配器校正并放大，调节到0~5V(数据采集器接收的电压范围)；数据采集器接收相应的电压，将其转换成正确的结果并保存在采集器内存中，以供进一步用计算机处理时调用。

DT025探头在出厂时已经充分校正，整个量程范围的最
大误差为±0.5%。

1.3 实验步骤
（1）将DT025及其适配器和数据采集器的Input 1端口连接起
来(如图1)；
（2）开启数据采集器，设置其采样频率为1 per sec，采集数
据总数为2000(足量)；
（3）调节探头位置，使其与灯芯相贴，记下此时灯座位置刻度，点燃酒精灯，待火焰稳定后，采集灯芯温度数据；
（4）每次以0.5cm为单位，调低灯座，连续采集相差0.5cm火焰的温度数据，每次采集50个，时间为50秒；测量时将焰心、内
焰、外焰的位置记录下来；
（5）将采集到的数据传输到计算机，用Db-Lab软件进行数据分析以及图表绘制并将数据输出到Microsoft Excel中进行数据统计。

2 数据处理和讨论
图2，图3，图4是用Db-lab进行数据处理(3次平行实验数据)所得到的酒精灯各部分火焰温度曲线图。

火焰每个部位(2个部位之间相差0.5cm)的采集时间为50s，灯座高度的调节时间为10s，因此时间轴上每1min表示火焰高度相差0.5cm，这3个图是用这种方法来表示的火焰不同部位的温度变化曲线。

2.1 焰心、内焰和外焰的出现位置
在本实验中，焰心、内焰和外焰3次出现的位置非常吻合，焰心出现在0~2.5cm高度范围内，内焰出现在3.0cm~4.0cm高度范围内，外焰在4.5cm以外。

(以上均以灯芯平面作为高度参考面)。

2.2 酒精灯火焰温度随高度的变化情况
分析上面3图，有：
（1）焰心、内焰部分的曲线较为平滑，灯芯的温度(见表1)甚至与室温相差无几，而外焰部分曲线则剧烈波动。

酒精是极易挥发的燃料，燃烧时在酒精灯灯芯上方形成酒精蒸气，最外层的酒精蒸气与外界大气接触，燃烧时与空气的能量交换剧烈，因此外焰温度极不稳定，在上面3个图中表现为曲线剧烈波动；中层和内层蒸气得到外层蒸气的保护，受外界空气的影响较小，因此内焰和焰心波动较小，温度比较稳定，在上面3个图中表现为曲线比较平滑。

（2）最高温度并不是出现在外焰，而是出现在内焰。

外焰的酒精蒸气受外界空气影响较大，而且和外界空气的能量交换剧烈，火焰的温度受到很大的影响；焰心部位因空气较稀薄，酒精蒸气燃烧不充分，因此焰心的温度不高。

内焰酒精蒸气稳定，与空气接触适中，燃烧较充分，发出的光最明亮，因此最高温度在内焰出现。

图5是3个实验的温度曲线的整合图，3条曲线比较接近，因此，3个平行实验得出的数据是合理的，能正确地反映酒精灯火焰的温度
变化情况。

2.3 火焰各部位的温度
利用Db-Lab软件的数据输出功能，将实验数据输出到Microsoft Excel2000中对其进行统计，统计结果如表1。

从表1数据中可以看出，酒精灯火焰的内焰温度最高，外焰次之，内焰最小。

实验证明?“越往外焰酒精燃烧就越充分，放出的热量就越多，温度也就越高”这种说法是不正确的。

2.4 火焰的最高温度
在进行的3次平行实验中，火焰的最高温度都出现在内焰(图2、图3和图4中箭头所示)。

最高温度是一个瞬时的数值，受诸多因素的影响，如酒精的纯度、酒精的蒸发情况等，而且不同的酒精灯获得的最高温度也不同。

本实验中采用的酒精、酒精灯都是普通的灯用酒精、实验室酒精灯，灯壶的总容量为190mL，约装有110mL的酒精，
为总容量的2?/3。

表2是3次平行实验中出现的最高温度及其出现时间、出现位置
等数据。

3 结论
（1）酒精灯3层火焰温度的大小顺序为：焰心<外焰<内焰，焰心和内焰温度较稳定，外焰温度不稳定，剧烈波动；
（2）焰心的平均温度为432.3℃，内焰的平均温度为665.5℃，
外焰的平均温度为519.9℃；
（3）最高温度出现在内焰，酒精灯可以获得的最高温度为
695.2e(平均值)。

个人感悟：
近年来的研究表明：酒精灯火焰温度的高低顺序为：内焰＞外焰＞焰心。

一般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；同时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。

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。

小木条在酒精灯火焰中的炭化能否证明酒精灯火焰的温度高低？木材的炭化是一个复杂的化学过程，其炭化程度是由受热的温度、受热的时间和氧气的含量等多种因素共同决定。

因此，木条的炭化程度不能反映酒精灯火焰温度的高低。

目前，有些化学教材中仍然采用木条在酒精灯火焰中的炭化实验作为酒精灯火焰温度高低的探究实验，这不仅在实验方法的条件控制上是不够科学的，同时，还在实验结论上与目前的研究结果相矛盾。