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        神奇的物態(tài)變化

        2022-08-17 04:35:03薛海鳳
        科學(xué)大觀園 2022年16期

        薛海鳳

        自然界中雨是如何形成的?你知道炎熱的夏天,冰棍周圍冒“白氣”;從冰糕上滴落的水滴;雪糕紙中發(fā)現(xiàn)的“白粉”;灑在地面上的水不見了;衣箱中的樟腦丸漸漸變小了;鋼水澆鑄成車輪;燈絲(鎢絲)變細(xì);燈泡(鎢絲)發(fā)黑的道理嗎?諺語“雪落高山,霜降平原”“水缸出汗,不用挑擔(dān)”“下雪不冷,化雪冷”“霜前冷,雪后寒”的道理你知道嗎?這些都跟神奇的物態(tài)變化有關(guān)。

        構(gòu)成物質(zhì)的大量分子在永不停息地做無規(guī)則熱運動,且不同分子做熱運動的速率不同,形成了物質(zhì)的不同狀態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)稱為物態(tài),物質(zhì)從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)的過程,叫作物態(tài)變化。物質(zhì)的三種狀態(tài):固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。它們兩兩之間可以相互轉(zhuǎn)化,常見的物態(tài)變化有6種:熔化、凝固、汽化、液化、升華、凝華。物態(tài)變化常伴隨吸熱或放熱情況。冰棍周圍冒“白氣”是液化現(xiàn)象: 氣態(tài)變成液態(tài) (放熱)。從冰糕上滴落的水滴是熔化現(xiàn)象:固態(tài)變成液態(tài)(吸熱)。雪糕紙中發(fā)現(xiàn)的“白粉”是凝華現(xiàn)象:氣態(tài)變成固態(tài)(放熱)。灑在地面上的水不見了是汽化現(xiàn)象:液態(tài)變成氣態(tài) (吸熱)。衣箱中的樟腦丸漸漸變小了是升華現(xiàn)象:固態(tài)變成氣態(tài) (吸熱)。鋼水澆鑄成車輪是凝固現(xiàn)象:液態(tài)變成固態(tài)(放熱)。燈絲(鎢絲)變細(xì)是升華現(xiàn)象。用久了的鎢絲燈泡內(nèi)壁變黑是鎢絲先升華后凝華的結(jié)果。

        水因物態(tài)變化有很多別名。固態(tài)時叫:冰(凝固)、霜(凝華)、雪(凝華)、凇(凝華)、“窗花”(凝華)、雹(凝固)、白冰(凝華)。液態(tài)時稱:水、露(液化)、雨(液化)、霧(液化)、“白氣”(液化)。氣態(tài)時為水蒸氣(注意水蒸氣不可見,可見的是水蒸氣液化形成的水珠)。自然界中雨的形成經(jīng)歷了汽化(或蒸發(fā))、液化、凝固、熔化、凝華等物態(tài),即陸地和海洋表面的水汽化(或蒸發(fā))變成水蒸氣,受熱上升過程中遇冷液化成小水滴,這些小水滴又小又輕,被空氣中的上升氣流托在空中成為云的主要組成部分,要變成雨滴降到地面,它的體積大約要增大100多萬倍。它主要依靠兩個手段:一是凝結(jié)和凝華增大;二是依靠云滴的碰撞并增大。當(dāng)滿足一定條件時,云中水滴凝固成小冰晶或水蒸氣直接凝華成小冰晶,再熔化形成雨落向地面。人造雨原理,主要是借催化劑改變云滴的性質(zhì)、大小和分布的狀況,制造云滴長大的條件。人工降雨即根據(jù)不同云層的物理特性,選擇合適時機,用飛機、火箭彈、高射炮等向云中播撒干冰、碘化銀、鹽粉等催化劑或在云中播撒鹽粉、尿素、氯化鈣等吸濕性粒子,促使云層降水或增加降水量。人工降雨可減輕干旱災(zāi)害。雪是由空氣中的水蒸氣凝華或小水珠凝固而形成的,由于凝華和凝固都是放熱過程,所以感覺不冷,而雪融化是吸熱過程,所以感覺冷,故“下雪不冷,化雪冷”。至于“霜前冷,雪后寒”,是因為霜的形成是凝華過程,凝華過程放熱,所以霜前的氣溫要很低,空氣中的水蒸氣才能放熱而凝華形成霜;下雪后,在雪的融化或升華過程中都要吸收大量的熱,所以下雪后,室外的氣溫會很低。

        生活中人們往往利用物態(tài)變化為人類服務(wù)。如游泳上岸后身上感覺涼爽,炎熱夏天地面上灑些水更涼快,給發(fā)熱者全身皮膚上擦拭溫水或稀釋的酒精進(jìn)行物理降溫都是利用汽化(蒸發(fā))吸熱達(dá)到降溫目的。干冰(固態(tài)二氧化碳)用來打造絕妙的舞臺效果,經(jīng)歷了先升華后液化的過程。干冰是固態(tài)二氧化碳吸收熱量直接變氣態(tài),是升華,由于干冰吸熱,空氣中的水蒸氣受冷液化成小液滴,小液滴懸浮在空氣中,形成如夢如幻的霧。航天技術(shù)中,運載火箭的燃料常采用液態(tài),利用壓縮體積的方法使氣態(tài)液化形成,有利于運輸和貯存較多數(shù)量的燃料;火箭點燃后尾部火焰如果直接噴到發(fā)射臺上,發(fā)射架要熔化,為了保護(hù)發(fā)射架,在發(fā)射臺底建一個大水池,讓火焰噴打水池中,利用水汽化時吸收大量熱量,使周圍環(huán)境溫度不至于太高,防止熔化發(fā)射臺。火箭、衛(wèi)星返回地面時,與空氣相互摩擦,溫度升高,整流罩上的燒蝕層會熔化、汽化或升華,這些物態(tài)變化都吸熱,吸收大量的熱,保護(hù)了火箭或衛(wèi)星。

        下面我們來做有關(guān)物態(tài)變化的小實驗

        [器材]

        蠟燭、鑰匙、油、醋、電磁爐、紙杯、水、打火機、棒冰模具、裝滿水的臉盆、剪刀、透明碗、冰、食鹽。

        1[誰先熔化]

        兩個透明碗中各放一塊相同冰塊,一塊冰塊上撒些食鹽,注意觀察誰先熔化。

        2[紙杯燒水]

        紙杯中裝一半水,蠟燭火焰灼燒紙杯底部,紙杯不會燃燒。而無水紙杯很快冒煙燃燒。請注意安全,燃燒紙杯浸入水中熄滅火焰。

        3[油鍋撈物]

        鍋里放入油和醋,用電磁爐燒開,扔進(jìn)鑰匙,手伸入沸騰油鍋里撈出鑰匙,發(fā)現(xiàn)手安然無恙。因為醋的沸點遠(yuǎn)低于油的沸點。翻滾的油鍋里其實只有醋在沸騰,所以不會燙傷手。該實驗有危險和不可控因素,請勿模仿。油溫超過50攝氏度會燙傷皮膚。

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