化學示範實驗：蒸汽引擎—化學能換轉為動能（Energy Transformations）

化學示範實驗：蒸汽引擎—化學能轉換為動能（Energy Transformations）
國立彰化師範大學化學系學生廖翊含/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

前言

利用酒精燃燒使水加熱沸騰產生水蒸氣，然後汽水罐內產生高壓，而使之發生快速旋轉。這是一個很好的能量轉換之示範實驗，在酒精分子內的化學能燃燒時轉換為熱能，而造成水變成水蒸氣的相變化，汽水罐內的水蒸氣快速增加而產生高壓，利用作用力和反作用力原理而使之發生快速旋轉，進而形成動能。

示範實驗影片

請按此連結：蒸汽引擎—化學能轉換為動能（Hero’s Engine – Energy Transformations），YouTube。

示範步驟

一、示範前準備

1. 取一瓶未打開的汽水鋁罐，先旋轉開罐拉環180°而使拉環扣孔與飲用口的位置相同。再小心地向上拉起而使拉環與瓶身呈90°（可使用尖嘴鉗易於控制），拉環扣孔的最上方恰好位於鋁罐上圓的中心點，如圖一所示。必須小心向上拉起，不能破壞密封處。若有破損，則必須換新的鋁罐。

圖一  開罐拉環與瓶身呈90°

2. 取一根大頭針慢慢地插入鋁罐瓶身中，如圖二所示。插入之後大頭針往右邊（或左邊）壓下而使洞口扭曲成切線方向，如圖三所示。轉移此鋁罐到水槽內，輕輕地搖晃鋁罐，汽水會從鋁罐的洞口噴出。

圖二  大頭針慢慢地插入鋁罐瓶身中

圖三  大頭針往右邊（或左邊）壓下，而使洞口扭曲成切線方向

3. 當鋁罐不再噴出汽水時，在第一個孔洞的正對面製造第二個孔洞，兩個孔洞的切線方向一定要相同（皆為往右或都是往左）。再倒出剩下的汽水或用針筒吸出殘餘在鋁罐內的汽水。這個有孔洞的空鋁罐當作示範實驗的「蒸汽引擎鋁罐」。

4. 取一捆粗鐵線，用尖嘴鉗彎折，製作一個可掛「蒸汽引擎鋁罐」的三角架，高度約60 cm，底座直徑約25 cm，如圖四所示。

圖四  一個可掛鋁罐的三角架

5. 準備一個空鋁罐，倒置在三角架中間，當作示範實驗的「加熱槽鋁罐」，並在三角架的上方掛一個小掛鉤（如鑰匙環）。用縫衣線綁緊「蒸汽引擎鋁罐」的拉環扣孔，拉起縫衣線調整「蒸汽引擎鋁罐」的高度恰在「加熱槽鋁罐」的上方約2 cm高，然後縫衣線綁緊小掛鉤，如圖五和圖六所示。

圖五  調整「蒸汽引擎鋁罐」與「加熱槽鋁罐」的間隔約2 cm高

圖六  孔洞鋁罐調整好高度後縫衣線綁緊小掛鉤

二、正式示範

1. 事先用注射針筒注入約10 mL的水（或汽水）於「蒸汽引擎鋁罐」中，帶到教室上課。事先不告知學生「蒸汽引擎鋁罐」是事先處理過有孔洞的鋁罐。還有，三角架、「加熱槽鋁罐」（空鋁罐）、酒精膏和點火槍也要帶到教室。

2. 放置三角架在示範桌上，掛好「蒸汽引擎鋁罐」在三角架上。

3. 倒置一個「加熱槽鋁罐」，在其凹槽內裝填約2/3滿的酒精膏，先用點火槍點燃酒精膏，再移動此鋁罐在「蒸汽引擎鋁罐」的正下方，然後開始加熱，如圖七所示。

 圖七  「加熱槽鋁罐」置於「蒸汽引擎鋁罐」的正下方

4. 等待一會兒，蒸汽引擎鋁罐內的水（或汽水）開始沸騰，由小孔洞揮發水蒸氣。當噴出水蒸氣就會開始旋轉，而且噴出的量越多，旋轉速率就快速，如圖八所示。

圖八  噴出水蒸氣的量越多，旋轉速率就快速

溶液和器材

1. 未打開的汽水鋁罐（當作「蒸汽引擎鋁罐」）  一罐
2. 已打開的汽水鋁罐（當作「加熱槽鋁罐」）  一罐
3. 大頭針  一根
4. 粗鐵絲  一捆
5. 尖嘴鉗  一支
6. 注射針筒  一支
7. 縫衣線  一捆
8. 小掛鉤（如鑰匙環）  一個
9. 自來水  少許
10. 酒精膏  一瓶
11. 點火槍  一把

原理和概念

● 能量可分為光能、聲能、熱能、核能、化學能、電能、機械能（動能、位能），各種能量之間是可以互相轉換的。在酒精分子內的化學能燃燒時轉換為熱能，而造成水變成水蒸氣的相變化，汽水罐內的水蒸氣快速增加而產生高壓，利用作用力和反作用力原理而使之發生快速旋轉，進而形成動能。

● 加熱「蒸汽引擎鋁罐」而使裡面的水沸騰產生水蒸氣，水蒸氣從小孔沿著鋁罐的切線方向噴出，因為作用力與反作用力的原理，反作用力產生的力矩使鋁罐轉動，產生旋轉動能。根據作用力與反作用力的原理，水蒸氣噴出方向與鋁罐旋轉方向相反，如圖九所示。

圖九  水蒸氣噴出方向與鋁罐旋轉方向相反

● 本示範實驗的Hero’s Engine為古希臘時的汽轉球（Aeolipile）的簡化。世界上第一台蒸汽機是由古希臘數學家亞歷山大港的希羅（Hero）於1世紀發明的汽轉球，如圖十所示。它的製造比工業革命早二千年，當時它只是個玩具而已。汽轉球主要是由一個空心的球和一個裝有水的密閉鍋子以兩個空心管子連接在一起，而在鍋底加熱使的水沸騰然後變成水蒸氣然後由管子進入到球中，最後水蒸氣會由球體的兩旁噴出而使得球體轉動。

圖十  希羅的汽轉球（Hero’s Aeolipile）

● 一般的蒸氣引擎亦是利用此原理，高壓蒸氣流入低壓的汽缸中，將活塞推出汽缸而打開一個排出蒸氣的閥門，然後活塞重新回到汽缸內。一旦活塞回到汽缸底部，閥門會關上然後蒸氣再次將活塞推出。活塞的往復運動使飛輪快速旋轉，帶動機器的運作。

教學提示

1. 在「蒸汽引擎鋁罐」中的水量沒有一定的使用量，使用多量的水可以增加旋轉的時間，但相對加熱的時間也會較長。若事先注入液體為汽水，則在加熱的過程中會聞到一股很香的味道，更容易引起學生的注意。

2. 演示這個實驗時，事先不告知學生「蒸汽引擎鋁罐」是事先處理過有孔洞的鋁罐，更會引起學生的懸疑，為何一個汽水鋁罐會旋轉呢？

3. 沒有現成的酒精膏，亦可自己製作膏狀酒精。混合20毫升的乙醇和5毫升的醋酸鈣飽和溶液，即可形成凝膠的酒精膏。

4. 使用縫衣線連結「蒸汽引擎鋁罐」與小掛勾，其缺點是蒸汽引擎鋁罐旋轉一陣子之後會使縫衣線慢慢縮短，而且縮短到某一程度後，鋁罐會開始反轉。如果能找到摩擦力小的小掛勾，這樣鋁罐就可朝同一方向旋轉很久。

5. 本示範實驗用到火，示範者必須確定滅火器在可方便取得之處。點燃酒精膏時必須要小心，添加時需注意火苗是否已經熄滅，熄滅了才可添加。

6. 上課時可以提及作用力與反作用力的其他例子，如跑步、火箭升空等。還有，力矩的定義為能使物體繞轉軸產生轉動效果的物理量，即力矩等於力臂乘以作用力。

7. 提醒示範者：現場演示示範實驗所展現的變化現象的臨場感，以及激發互動討論的教學效果，比單純的播放影片好很多。

問題和參考答案

1. 酒精的燃燒熱 ΔH_c = -1370.7 kJ/mol，寫出酒精燃燒的平衡反應式並放入燃燒熱於反應式中。
答：酒精燃燒的平衡反應式（含燃燒熱）如下所示：

C₂H₅OH(l) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H₂O(l)  + 1370.7 kJ/mol

2. 在旋轉時「蒸汽引擎鋁罐」周圍噴出的白色煙霧是什麼？
答：加熱「蒸汽引擎鋁罐」使裡面的水沸騰產生水蒸氣，接觸到空氣後，水蒸氣凝結成液態的小水滴，白色煙霧就是大量的微小水滴。

3. 如何控制「蒸汽引擎鋁罐」旋轉的方向是順時針或逆時針？
答：大頭針插入鋁罐時往右邊壓，可使鋁罐旋轉方向為順時針。往左邊壓，可使鋁罐逆時針方向旋轉。

4. 寫出本實驗的能量轉換。
答：化學能 → 熱能 → 動能。在酒精分子內的化學能燃燒時轉換為熱能，而造成水變成水蒸氣的相變化，汽水罐內的水蒸氣快速增加而產生高壓，利用作用力和反作用力原理而使之發生快速旋轉，進而形成動能。

安全

● 示範這個實驗最好戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

● 在「加熱槽鋁罐」內的酒精膏燃燒殘留物可丟棄於垃圾桶中，此鋁罐清洗乾淨可重複使用。
● 這個示範實驗所使用的溶液和器材均可重複使用，最好裝在一個標示「蒸汽引擎—化學能轉換為動能」的置物箱中備用，方便帶到教室上課。

參考資料（擷取日期：2010年8月）

1. Expt 053 — Hero’s Engine, David W. Brooks, http://chemmovies.unl.edu/chemistry/beckerdemos/BD053.html.
2. Aeolipile, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Aeolipile.
3. Hero of Alexandria, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hero_of_Alexandria.
4. The AEolipile, Modelengines.info, http://modelengines.info/aeolipile/.
5. 謝湘華，2007白沙化學驚奇秀，http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/4謝湘華6.pdf。
6. 蒸汽機，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/蒸汽機。