实验结论:
通过记录我们会发现水这种液体的特征:
水被加热后温度是不断上升的,过程中水里不断冒出气泡,水量减少;沸腾后温度保持不变,在标准大气压下,沸腾时的温度为 100 摄氏度。反过来当水的温度下降到 0℃时,开始结冰,从液体状态变成了固体状态。
其它液体也会有类似的物态变化现象。但是由于其成分不同,沸点和冰点也会有所差异。最明显的应该是食用油——沸腾的时候可能远远超过100摄氏度。
05 热水还是冷水先结冰?
细心的家长可能会留意到我们上面的实验,把水放进冰箱里时,是放凉后再放,还是热水直接放进去?哈哈,两者有很大区别,来做个实验你就知道差别在哪啦。
实验过程:
1.准备三杯水:一杯冷水,一杯温水,一杯热水。为避免搞混,可以在杯身上做个标记。
2.把三杯水同时放进冰箱里,开始计时。
让小朋友猜一猜:三杯水,哪杯会更快结冰?(按照一般的思维,我们可能会想,应该是冷水最先结冰,因为热水本身需要降到冷水的温度,再结冰,所以会慢一些。结果真的是这样吗?)
3.每隔10分钟,打开冰箱记录下三杯水的温度,直到三杯水都结冰。最后我们会发现,竟然热水最先结冰!
实验原理:
为什么热水会比冷水先结冰?现在带娃了解一个著名的现象:姆佩巴效应。
1963年的一天,在地处非洲热带的坦桑尼亚一所中学里,一群学生想做一点冰冻食品降温。一个名叫埃拉斯托·姆佩巴的学生在热牛奶里加了糖后,准备放进冰箱里做冰淇淋。他想,如果等热牛奶凉后放入冰箱,那么别的同学将会把冰箱占满,于是就将热牛奶放进了冰箱。过了不久,他打开冰箱一看,令人惊奇的是,自己的那杯牛奶已经变成了一杯可口的冰淇淋,而其他同学用冷水做的冰淇淋还没有结冰。他的这一发现并没有引起老师和同学们的注意,相反却成为他们的笑料。姆佩巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士。奥斯博尔内听了姆佩巴的叙述后也感到有点惊奇,但他相信姆佩巴讲的一定是事实。尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验,其结果也与姆佩巴的叙述完全相符。这就确切地肯定了在低温环境中,热水比冷水结冰快。此后,世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为"姆佩巴效应“。
咱们前面所猜测的,热水需要先降温到冷水的温度,才会结冰,这种想法错在,它暗中假设了水的结冰只受平均温度影响。但事实上,除了平均温度,还有其它因素作用。一杯初始温度均匀,70℃的水,冷却到平均温度为30℃的水,过程中水已发生了改变——不同于一杯初始温度均匀,30℃的水——冷却后的水有较少的质量。同时还有气体的对流、温度的分布,这些因素会改变冰箱内,容器周围的环境。下面会分别考虑这四个因素:
1.蒸发——在热水冷却到冷水的初温的过程中,热水由于蒸发会失去一部分水。质量较少,令水较容易冷却和结冰。这样热水就可能较冷水早结冰,但冰量较少。如果我们假设水只透过蒸发去失热,理论计算显示蒸发能解释Mpemba效应。这个解释是可信的和很直觉的,蒸发的确是很重要的一个因素。然而,这不是唯一的机制。蒸发不能解释在一个封闭容器内做的实验,在封闭的容器,没有水蒸气能离开。很多科学家声称,单是蒸发,不足以解释他们所做的实验。
2.溶解气体——热水比冷水能够留住较少溶解气体,随着沸腾,大量气体会逃出水面。溶解气体会改变水的性质。或者令它较易形成对流(因而较易冷却),或减少单位质量的水结冰所需的热量,或者改变沸点。有一些实验支持这种解释,但没有理论计算的支持。
3.对流——由于冷却,水会形成对流,和不均匀的温度分布。温度上升,水的密度就会下降,所以水的上表面比水底部热——称为"热顶"。如果水主要透过表面失热,那么,"热顶"的水失热会比温度均匀的快。当热水冷却到冷水的初温时,它会有一热顶。因此与平均温度相同,但温度均匀的水相比,它的冷却速率会较快。虽然在实验中,能看到热顶和相关的对流,但对流能否解释Mpemba效应,仍是未知。
4.周围的事物——两杯水的最后的一个分别,与它们自己无关,而与它们周围的环境有关。初温较高的水可能会以复杂的方式,改变它周围的环境,从而影响到冷却过程。例如,如果这杯水是放在一层霜上面,霜的导热性能很差。热水可能会熔化这层霜,从而为自己创立了一个较好的冷却系统。明显地,这样的解释不够一般性,很多实验都不会将容器放在霜层上。
06 化冰小能手
夏天小朋友吃冰棍,总会担心冰棍太快融化掉。
其实,并不是只有热的温度能使冰更快融化。
实验过程:
1.准备胡椒粉、盐、糖和四碗冰块。
2.把胡椒粉倒进第一个冰碗中,把盐倒进第二个碗中,把糖倒进第三个碗中,第四个碗中什么都不要加。
3.分别记录下四碗冰块的融化的时间,我们会发现,加了盐的冰块融化所用的时间最短。
实验原理:
盐能加速冰雪融化,是因为水的原始冰点是0℃,而水溶解了盐之后形成的盐水的冰点进一步降低至小于0℃了。这也就是为什么冬天下雪后,清洁工人要往路面撒盐,来加速冰雪融化,避免行人和车辆打滑了。
07 浮还是沉?
我们把一些东西放到水里,有的会漂浮起来,有的则会下沉。为什么呢?
实验过程:
1.准备一杯热水,一杯冷水,和两个棉花球。
2.把棉花球放到冷水里,我们会发现,棉花球漂浮了一会儿,然后下沉了。注意记录下漂浮的时间。
3.再把棉花球放到热水杯里,棉花球很快就下沉了。