酒精喷灯

总述

通过对酒精喷灯的分析、解剖、使用，我们小组得出以下结论：

1、酒精喷灯喷管长a与其火焰温度不是单调函数关系，当a的长度在某一个值时，温度最高，a增加或减少会使温度下降。

2、酒精喷灯预热管长c，在b长相同的情况下，在可能的范围之内，越大则火焰温度越高。

3、两管高度差c与火焰温度无较大的直接关系，但影响火焰的连续性。

而在本小组的探究过程中，又发现了一些酒精喷灯的改良方案：

1、酒精喷灯的调节杆现有的形式往往会因为生锈而影响使用，可以利用一种酒精炉的调节圈的设计，防止生锈带来的麻烦。

2、酒精喷灯的调节杆可以改成中空的，这样有两个

好处。一是解决当酒精喷灯预热时，由于预热盘的酒精燃烧使的喷管下空气入口缺氧，而导致的喷管只喷酒精不燃烧的现象。由于在喷酒精是，管内气压小使调节杆外的空气得以进入喷管，使喷管火不灭。而是利用这一现象给调节杆降温，这样酒精喷灯长期工作也不会使调节杆烫手。

研究过程

观察

我们在观察酒精喷灯的工作时，发现了以下几个特点： 1、 只有当预热盘的酒精全部烧尽，喷灯才可以正常工作。 2、 堵住喷管下部，酒精喷灯就会断火。

3、 酒精喷灯正常工作时，内部并无酒精沸腾而导致的气泡爆裂声。

当我们解剖了一个酒精喷灯，我们发现在酒精喷灯的预热管的下方并非如我们所想，是空心的，相反，它当中充满了棉芯以引燃酒精。原来。酒精蒸汽是在预热管的加热下产生的，这也解释了为什么酒精喷灯温度较酒精灯更高；同时也解释了为什么酒精喷灯不能在酒精过少时使用，这样会烧坏灯芯，使酒精喷灯报废。另外，我们还研究了酒精喷灯的调节杆，以及其工作原理：调节杆所联动的是一个金属环，通过金属环上下平移时酒精喷口与空气的接触空间改变，从而影响火焰大小。

铝热焊接法

结合解剖的结果我们给当时我们发现的酒精喷灯工作时三个特点作出了合理解释。1、当预热盘的酒精未烧尽时，预热盘内的酒精的燃烧使得喷管底部无法给酒精蒸气足够的氧气，使其逸至喷管上部才与空气接触，导致酒精蒸气不能在短时间之内燃烧，而新喷出的酒精蒸汽推动着未燃烧的酒精蒸汽，使其扩散，从而降低热效率。

接着，我们便开始讨论如何制作酒精喷灯。首先我们将酒精喷灯分为两大部分，一个是壶体，一个是喷管和预热管的组合体。我们计划购买壶

体，然后根据购买的壶体的口径购买合适直径的钢管，通过焊接的方式保证气密性。（如右图右下部分，右图为当时的一张草稿）

我们当时计划通过铝热反应来焊接两个部分。所以我们小组先后经行了近十次的实验，但最终由于少量铝热剂无法提供足够热量，而大量铝热剂产生的大量铁水将样品完全覆盖，所以放弃了这种做法。

以下是其中几次的活动记录：

工厂定制方案

我们在放弃了铝热反应的做法之后，马上想到了直接向酒精喷灯制造厂定制的想法。于是我们向几家酒精喷灯制造厂发了我们所需要的规格的图纸。通过联系，我们了解到，大部分酒精喷灯的制造厂都是用固定模具和固定流程生产的，所以不可能随意制造出各种规格的酒精喷灯，因此，这种方式也只好放弃。

石墨模具浇铸法

之后，我们只好决定联系模具制造厂定制制作酒精喷灯的模具。

但是考虑到使用模具制作的特点，我们对工件图纸经行了改动，以便于浇铸。之后我们便发给石墨模具厂一张简易图纸。

其中工件①是用来作为预热管和喷管的。工件②时用作连接两个工件①的。将工件②切割成合适的长度后，分别将两头旋入两个工件①；再分别切割两个工件①，已达到不用规格的酒精喷灯的非壶体部分。然后再将这一部分与壶体旋紧，即可得到成品。

上图为我们小组给酒精喷灯制造厂发的壶体的规格图纸。 下图为我们给石墨模具制造厂发的工件图纸。

但是十分不幸的是，由于我们的图纸精度太高，所以找了许多家石墨加工厂都没能谈成，最终我们也没办法，只得放弃这一办法。

理论推导法

由于研究性学习的截止时间在一天一天临近，我们不得不暂时放弃自己制作各种规格的酒精喷灯这一项，转而决定使用理论的方法经行推理，从而得出结论。

在接下来的一段时间里，我们通过网络和许多老师，顺藤摸瓜地找到并学习了一些有关流体的知识，但是仅仅粗浅的了解了一些像黏度一样的概念是无法真正解释酒精喷灯的工作的。于是我们找来了一本《流体力学》，希望从中找到破解酒精喷灯的方法。但是事与愿违，尽管我们多次仔细地一起研究这本书，这本书还是以它复杂的微积分甚至是曲面积分的推导，彻底地打败了我们。

实验与推导互补法

在与这书“搏斗”的过程中，我们逐步了解到，以我们现在的水平，特别是没有微积分基础，是很难利用流体力学这样深奥的方法来解释酒精喷灯。于是经过小组的紧急磋商，最终决定通过一些实验，结合我们能力范围内的知识来分析酒精喷灯。

对火焰最高温度所在点的研究

于是我们准备了一个铁丝，竖直伸进工作中的酒精喷灯的喷管，发现铁丝在距离喷管最高处一厘米左右的高度红热程度最高。而红热程度的不同正是物体所拥有的能量不同，程度越大，说明拥有能量越高。而铁丝本处于室温下，温度均一，材质均一，所以能量均一，在喷管中能量不同是由于酒精喷灯所给予的能量不同。而能量的传递速度与温差有关，温差越大能量的传递速度越快，在温度相等时达到平衡，所以铁丝的温度在加热一段时间后，与其所在的环境温度一致。因此可以利用铁丝不同部分的红热程度差异来判断喷管的不同高度的温度差异。

接着我们又做了一个实验，将温度为室温的铁丝放在喷管的不同高度处，计算铁丝加热到红热所需时间。以下为实验所得数据： 距喷管口高度 红热所需时间 -1cm 7s 0cm 12s 1cm 19s 2cm 27s 3cm 55s 从该数据来看，也能得到与前一个实验相同的结果。

而-1cm处以下，温度又变低则是因为再其下便是内焰和焰心，温度不高。

如果酒精蒸汽的速度足够快，那么外焰便可以足够高，那么上层的温度便会提高。但是也有另一种可能，那就是酒精的燃烧所产生的热量会扩散，而有喷管的包裹，-1cm处的热量在不易扩散的区域中火焰提供的温度最大，因而温度最高。至于0cm有没有更高的温度，我们拥有的酒精喷灯是没有的，可是到底会不会有，只能通过制作酒精喷灯或靠流体力学的推导才能得出结论了。综上，一个酒精喷灯的火焰温度随距喷管口高度的变化的关系有以下两种：

喷管长度与火焰温度关系

当喷管长度加长，能够影响酒精喷灯的火焰温度的条件有几个。一是喷管的加长，使喷管可以吸收更多的热，从而降低温度。二是喷管过段会导致酒精蒸汽喷出过于分散，使热量大量从周围扩散，从而降低火焰温度。而两个因素的条件与结果的数量关系正好相反，所以在预热管长度和两管高度差不变的情况下，喷管长度与喷管外最高温度的关系：

预热管长度与火焰温度关系

那么，如何改变酒精蒸汽的速度呢？可以改变预热管的长度，我们认为预热管的长度，酒精的沸腾越快。因为预热管越长，灯芯即可塞入更多，加热的接触面增加，使酒精能更快沸腾。从而单位时间燃烧的酒精的量越大，所提供的热量越大。而预热管太长，上部分就会无效，所以，酒精蒸汽的速度与预热管长度的关系如下，应为一个图像类似对数函数，但无限趋近于某一值：

我们曾经怀疑，由于酒精的蒸发热，酒精的大量蒸发时会导致热量被吸收。但是很快，经过分析，发现没有直接关系。因为，酒精燃烧热为-1366.8kJ/mol，蒸发热为39.2kJ/mol，所以可以认为酒精喷灯的每摩尔酒精能提供的热量为1327.6kJ/mol。

预热管与喷管相对高度差与火焰温度关系

至于预热管和喷管的相对高度差对火焰最大温度（焰心温度）没有十分明显的直接关系，但它也有可能改变酒精蒸汽的速度，从而影响焰心温度。如果相对高度过大，可能会导致喷管的热量无法迅速传递至预热管，促使酒精汽化，所以相对高度会影响酒精喷灯工作的连续性。

而对于以上三者与焰心温度的关系，用于有的因素有几种可能情况，组合后有更多情况，在此列举的意义并不大，我们也就不整合了。

对酒精喷灯的技术改进

最后，在我们研究酒精喷灯的过程中，我们发现了现有酒精喷灯的一些缺陷： ① 调节杆易生锈。

② 长期工作会使调节杆过热，无法操作。 ③ 有一些较旧的酒精喷灯使用时会断火。 针对以上问题，我们提出了以下对策：

①酒精喷灯的调节杆现有的形式往往会因为生锈而影响使用，可以利用一种酒精炉的调节圈的设计，防止生锈带来的麻烦。

②酒精喷灯的调节杆可以改成中空的，这样有两个好处。一是解决当酒精喷灯预热时，由于预热盘的酒精燃烧使的喷管下空气入口缺氧，而导致的喷管只喷酒精不燃烧的现象。由于在喷酒精是，管内气压小

使调节杆外的空气得以进入喷管，使喷管火不灭。而是利用这一现象给调节杆降温，这样酒精喷灯长期工作也不会使调节杆烫手。

③在酒精喷灯壶体内部加装电阻丝，使酒精可以得到预热。（但是，经过考虑后，我们认为，如果酒精喷灯需要用电，还不如用电炉，因为酒精喷灯的优势便是不用电）而如果不用电，可以改进灯芯材料，以使灯芯吸水性更强，且更不易被碳化。

对酒精喷灯的地位的思考

根据对第三条的思考，我们发现酒精喷灯在加热仪器中的地位并不像初中时所认为的那样崇高。酒精喷灯能提供的温度在700℃至1000℃之间，而这一区间完全被电炉所覆盖。如果不是因为其造价相对电炉较低且不需用电，酒精喷灯早就应该被淘汰了。

指导老师：黄剑芳 课题组长：陈霈琛 组员：陈子逸，吴涵卿，黄超，陈子星 结题日期：2013年3月10日 星期日