在通常情況下,鐵是固體,水是液體,氧氣是氣體,物質(zhì)處于哪種狀態(tài),跟溫度有關(guān),溫度改變時。物質(zhì)可以由一種狀態(tài)變成另一種狀態(tài),物質(zhì)由一種狀態(tài)變成另一種狀態(tài),叫做物態(tài)變化,如水在放熱(溫度降低)時可以凝固成冰,冰在吸熱(溫度升高)時可以熔化成水,可見,河水結(jié)冰與河流解凍屬于物態(tài)變化中的凝固和熔化現(xiàn)象。
同學(xué)們肯定都有這樣的生活經(jīng)驗,當溫度降低到0℃時水就會凝固成冰,但實際情況并非如此簡單,一方面自然界中的水不是很純凈的,水里面溶解了很多其他物質(zhì),水的凝固點就會降低,水需在0℃以下才能凝固成冰:另一方面,當溫度剛好由0℃以上降低到0℃時,水是不會凝固成冰的,因為水凝固成冰時放出的熱量是很多的,如果正好是0℃的凝固點,那么水剛凝固成的小冰晶又會很快被熔化掉,所以,一般溫度在0℃以下的河水才會出現(xiàn)凝固現(xiàn)象。
不流動的水(靜水)凝固時需要較低的溫度,實驗室里曾經(jīng)記錄到蒸餾水冷卻到-20℃還不見冰晶出現(xiàn)的數(shù)據(jù),一般靜水冷卻到4℃后,水面繼續(xù)降溫,僅能使水面表層發(fā)生冷卻,底層在較長時間里還是維持在4℃的溫度,所以靜水凝固是從水面開始的。
初冬時節(jié)河流淌凌(流淌的冰凌)是河流開始凝固成冰的最初階段,河水是流動的,流動的水凝固成冰的過程與靜水很不相同,流水由于處在流動狀態(tài),不僅水的表層冷卻迅速,就是底層也同時降溫,水面和底層幾乎可以同時凝固成冰,大多數(shù)研究者認為,河水結(jié)冰是同時在水面和水中發(fā)生的,理由是河流混合作用強,在結(jié)冰前河水上下都能達到大體相同的溫度,只要有結(jié)晶核,就可以在任何地方開始結(jié)冰。
河流封凍有兩種情況,一種是從岸邊開始,先結(jié)成岸冰,然后向河心發(fā)展,逐漸匯合成冰橋,冰橋?qū)挾葦U展,使整個河面全被封凍,還有一種是流冰在河流狹窄或淺灘處形成冰壩后。冰塊相互之間和冰塊與河岸之間迅速凍結(jié)起來,并逆流向上擴展,使整個河面封凍。
上面介紹了關(guān)于河水結(jié)冰的現(xiàn)象,下面講講關(guān)于河流解凍的問題。
當大地回春,氣溫升高的時候,河流里的冰開始熔化,熔化的冰塊隨著河水向下流動,河流開封,但是并不是所有的河冰都這樣斯斯文文地解凍,讓河流順利開河,有時候解凍來得很快,特別是氣溫猛升或水位暴漲,大塊冰凌洶涌而下,這樣就容易造成冰凌沖擊,科學(xué)家們給這兩種河流開河方式起了很有趣的名字,對于慢慢解凍的開河方式叫“文開”河,對于迅速解凍容易引起冰凌沖擊的開河方式叫“武開”河。
由南向北的河流特別容易發(fā)生“武開”河,當上游已是春光明媚,下游還是冰封千里的時候,冰熔化成的水帶著冰凌順流而下,時而阻塞,抬高水位,時而潰決,橫沖直撞,使下游冰層遽然脹破,于是形成巨大的冰排,向下猛沖,對橋梁堤壩危害嚴重,冰凌對橋墩威脅最大,春季淌凌時出現(xiàn)大冰排威脅橋墩時,需要用飛機或其他措施把冰排炸碎。
由冰凌壅塞引起的暫時漲水,叫做凌汛,黃河上游從寧夏到內(nèi)蒙的河套段和下游在山東入海的地方,由于河段北流,經(jīng)常出現(xiàn)凌汛,凌汛期間易出險情,一是凌汛來勢猛烈;二是地凍未消,取土搶險困難,據(jù)統(tǒng)計,解放前,黃河改道后的百余年間,僅山東境內(nèi)因凌汛決口就有35次之多,給沿岸人民造成很大的損失和痛苦。
俗話說,七九河開,八九雁來,九九加一九,耕牛遍地走,北方的季節(jié),七九,河是開不了的,由于地表溫度還沒有達到熔化冰的程度。
離岸近的地方,冰下面已經(jīng)空了,托著它的水,悄悄地退去,地表溫度逐漸上升,陽光一天熱似一天,冰懷揣著一絲對冬的涼意,眷戀著逐漸縮小的身軀,憧憬著來年的冬季,無可奈何地熔化了,水面越來越寬,越來越大:岸邊的冰,越來越小,冰熔化成了水,水托起了冰,追著離它不遠的水,冰漂浮在水上,它們又融合了,固態(tài)液態(tài)結(jié)合了,它們本來就是一家人。
解凍的河流在流著,它們在釋放著憋了一冬的精力,小河,融入大河,大河又融入更大的河,然后匯集起來,形成春潮,匯入大海。
下面說一說一種有趣而奇怪的現(xiàn)象,這種有趣而奇怪的現(xiàn)象是坦桑尼亞的馬干巴中學(xué)三年級學(xué)生姆潘巴在1963年偶然發(fā)現(xiàn)的,有一天,姆潘巴和幾位同學(xué)一起做冰淇淋,為了搶先,一位同學(xué)將生牛奶加糖后,立即送進冰箱的冷凍室;而姆潘巴則按部就班。將牛奶煮沸,放糖后送入冰箱,過了一段時間后,姆潘巴發(fā)現(xiàn),他的熱牛奶已經(jīng)凍結(jié),而其他同學(xué)的冷牛奶卻還是很稠的液體,這是為什么?姆潘巴百思不得其解,這就是有名的“姆潘巴之謎”,姆潘巴把這特殊現(xiàn)象告訴了達累薩拉姆大學(xué)的物理學(xué)教授奧斯博爾內(nèi)博士,奧斯博爾內(nèi)聽了姆潘巴的敘述后也感到有點驚奇,但他相信姆潘巴講的一定是事實,尊重科學(xué)的奧斯博爾內(nèi)又進行了實驗,其結(jié)果也和姆潘巴的敘述完全相符,這就確切地肯定了在低溫環(huán)境中,熱水此冷水結(jié)冰快,此后,世界上許多科學(xué)雜志載文介紹了這種自然現(xiàn)象,還將這種現(xiàn)象命名為“姆潘巴效應(yīng)”。
人們通常都會認為,一杯冷水和一杯熱水同時放入冰箱時,冷水結(jié)冰快,事實并非如此,現(xiàn)在,一般認為,造成“熱水先結(jié)冰”現(xiàn)象的原因有:首先,水在較熱的容器中循環(huán)較好,容器中部的熱水迅速地流向容器壁或流向水的表面;其次,如果水比較熱,就會放出更多的溶于水中的氣體,溶解的氣體會推遲冷卻時間,冷卻前除去溶解的氣體可以使水較快地達到凝固點;第三,熱水比冷水會失掉更多的質(zhì)量和蒸發(fā)熱,例如,水從100℃冷卻到0℃,假設(shè)主要的熱損失由蒸發(fā)引起,則其質(zhì)量損失約為16%,因此熱水剩下需要冷卻的質(zhì)量較少,水便更快地達到凝固點。