书城科普读物数理化之谜
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第38章 水之谜

1.100℃的水为何不沸腾

炉子上放一口烧水的锅,盛一些水,再用小奶锅盛一点水,让它漂在大锅里。从锅底给加热,大锅里的水沸腾了,小奶锅里的水却不沸腾。做实验的时候,注意使小奶锅一直停在大锅中心,延长加热的时间,奶锅里的水也不沸腾。

这是为什么?

沸腾是液体的一种汽化现象。液体汽化的时候,都要吸收热量。

大锅放在炉火上,炉火的温度比100℃高得多,锅内的水升高到100℃以后,炉火仍不断把热传导给水,使大锅里的水不断汽化,不断沸腾。

奶锅放在水中,只能从水中得到热。大锅里的水温度升高,奶锅里的水温度也跟着升高,大锅的水达到100℃,奶锅里的水也达到了100℃。可是,大锅里的水沸腾以后,温度不再升高,始终停留在100℃。我们知道,两个物体的温度相同,它们之间是不会发生热传递的。现在,奶锅里的水和大锅里的水都达到100℃,奶锅里的水不能再从大锅里的水吸收热量,就不会沸腾。

如果奶锅底与大锅底接触,由于炉火的温度比100℃高,因此奶锅里的水可以通过金属从炉火吸收热量,奶锅里的水就会沸腾起来。

2.冰在开水里为何不熔化

把一小块冰丢到装满水的试管里去,由于冰比水轻,要想不让冰块浮起,再投进去一粒铅弹、一个铜圆等去把冰块压在底下,但是不要使冰跟水完全隔离。现在,把试管放到酒精灯上,使火焰只烧到试管的上部。不久,水沸腾了,冒出了一股一股的蒸汽。但是,多奇怪呀,试管底部的那块冰却没有熔化!我们好像是在表演魔术:冰块在开水里并不熔化……

这个谜的解释是这样的。试管底部的水根本没有沸腾,而且仍旧是冷冰冰的,沸腾的只是上部的水。我们这儿并不是什么“冰块在沸水里”,而是“冰块在沸水底下”。原来,水受了热膨胀,就变成比较轻的,因此不会沉到管底,仍旧留在管的上部。水流的循环也只在管的上部进行,没有影响到下部。至于下部的水,只能经过水的导热作用才受到热,但是,你知道水的导热度却是很小的啊。

3.水在0℃为何不结冰

一般来说,水温可降到0℃,同时也可能存在0℃的冰。有人认为:0℃的水一定会转化为0℃的冰。这种看法是不对的。0℃的水和0℃的冰相比较,虽然它们的温度都是0℃,但是由0℃的水转化为0℃的冰可不是一件容易的事。实验表明,1千克0℃的水转化为0℃的冰要放出80千卡的热量,这相当于同样质量的水,温度从80℃降低到0℃所放出的热量。0℃的水转化为0℃的冰既然要放出大量的热量,那么一定要有周围的物体吸收这部分热量才行。为了能使热量从0℃的水传至周围的物体,所以周围物体的温度一定要低于0℃。冬天,当气温降到0℃以下,0℃的水才能结冰。如果气温等于0℃,那么0℃的水和0℃的冰将处于一种热平衡状态,容器中的0℃的水不能使0℃的冰熔解,而0℃的冰也不能使周围的0℃的水凝固,成为一种0℃的冰和水共存的状况。解答有关冰水共存的热学问题,我们应当特别注意,防止得出谬误的结果。

例在质量200克,温度是10℃的水中丢入一块500克0℃的冰,求热平衡时的温度是多少?

解:设热平衡时的温度是t℃,则200克水温度从10℃降低到t℃放出的热量Q1为:

Q1=1卡/(克·℃)×200克×(10-t)℃

=(2000-200t)卡。

500克0℃的冰熔解为0℃的水吸收的热量Q2为:

Q2=80卡/克×500克=40000卡,

500克0℃的水温度升高至t℃吸收的热量Q3为:

Q3=1卡/(克·℃)×500克×(t-0)℃

=500t卡。

根据热平衡式,得

2000-200t=40000+500t

所以t=-54.2℃

答案显然是错误的,在0℃的水中丢进一块0℃的冰之后,绝不可能出现混合温度在零度以下的状况。检查运算过程,也看不出什么错误。到底错在什么地方?查其根源就在于设错了热平衡的温度在t℃。实际上,在这种情况下,热平衡的温度不可能在0℃以上。因为500克0℃的冰要完全熔解为0℃的水需要吸收的热量:80卡/克×500克=40000卡。而200克、10℃的水温度降低至0℃也只能放出热量:1卡/(克·℃)×200克×10℃=2000卡,这部分热量只能使=2000卡80卡/克=25克0℃的冰转化为0℃的水。最后只能是一种0℃的水和0℃的冰共存的状态,其中0℃的冰500克-25克=475克,有0℃的水200克+25克=225克。