神奇的手中“結(jié)冰”

劉永燾

摘要：大家常見夏天冰塊在手中很快的融化，但見過夏天冰塊在室溫下神奇般的“重新凝固”，并且能把一根剛放上去的繩子迅速凍結(jié)起嗎？這里存在著什么樣的物理原理呢？由于在此過程中的熔化率和凝固率的不同.最終造就了這樣神奇現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：捕獲；重新凝固；熱平衡；熔化率；凝固率

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6148（2014）5（S）-0050-2

為何在室溫下一個(gè)正常的冰塊會(huì)把剛放上去的一根繩子黏起來呢？在正常情況下，水的凝固點(diǎn)是0℃，不過，如果你用食鹽水，其凝固點(diǎn)降低。為什么鹽水的凝固點(diǎn)會(huì)低于0℃呢？這和繩子能拉起冰塊之間有什么樣的聯(lián)系呢？

首先，要知道為何鹽水的凝固點(diǎn)會(huì)降低呢？我們來看熔化是怎么進(jìn)行的。用10℃自來水、0℃的冰和一個(gè)不錯(cuò)的保溫杯，把自來水與冰倒入杯中，防止與外界熱量交換。在這個(gè)過程中水分子不斷從冰面逃逸到液態(tài)水中（即熔化）。熔化的同時(shí)，水分子又被抓回到冰表面上，即這個(gè)過程中又伴隨著凝固。但是由于水的溫度高，水分子運(yùn)動(dòng)劇烈，不容易捕獲，所以凝固不劇烈。而冰的溫度低，運(yùn)動(dòng)不劇烈，所以有更多的冰分子被水捕獲，導(dǎo)致水量增加，最終結(jié)果是，冰開始熔化（如圖1所示）。當(dāng)然，水的溫度下降。我們已經(jīng)把“溫水”變成了“冷水”，即熔化吸收了熱量。這就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。事實(shí)上，如果我們?cè)谌萜髦杏凶銐虻谋?。最終容器中的水連同剩下的冰，將一直降溫最終達(dá)到0℃。

如圖2，在容器中的冰和水終于到達(dá)0℃。由于溫度降低，水分子運(yùn)動(dòng)速度降低，最終凍結(jié)率和熔化率相同，冰量和水量不會(huì)改變。只要保持容器絕熱，這種平衡會(huì)保持下去。而這個(gè)平衡在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度是0℃。這就是冰的熔點(diǎn)。

那么，加入鹽后情況如何呢？讓我們來看看。凍結(jié)率和熔化率相同，冰量和水量不會(huì)改變?，F(xiàn)在若水中含有鹽分子，或任何其他比鹽分子更易溶于水的物質(zhì)，破壞了平衡，但不溶于冰。水中的一部分分子被鹽取代，這意味著，能夠被捕獲成冰的水分子的數(shù)量出現(xiàn)故障，因此凍結(jié)的速度下降。冰熔化的速度是不變的，因此由于鹽的存在凝固速度降低，所以熔化速度比凍結(jié)快。冰開始熔化，熔化需要能量，吸取熱量，溫度繼續(xù)降低，水分子運(yùn)動(dòng)放緩，溫度下降到足以使水分子的運(yùn)動(dòng)放緩到可以使更多的水分子被冰捕獲成為冰。最終。凍結(jié)的水分子的數(shù)量和熔化的冰分子的數(shù)量又相等，將再次達(dá)到平衡。這將是新的凝固點(diǎn)/熔點(diǎn)。鹽的濃度越高，新的冰點(diǎn)/熔點(diǎn)的溫度越低。所以鹽水的凝固點(diǎn)/熔點(diǎn)會(huì)隨著加入鹽的多少而變化。但是，這并不能無限期地持續(xù)下去。在某一點(diǎn)鹽水將成為飽和鹽水。這時(shí)凝固點(diǎn)就不會(huì)再降低。最冷的一個(gè)鹽和水的飽和溶液可以得到。在該溫度下，鹽就開始結(jié)晶。

而在正常情況下。加入了鹽降低了其凝固點(diǎn)，所以可以促進(jìn)冰熔化。但是為何剛開始反而把繩子凍結(jié)上去了呢？因?yàn)樵谶@個(gè)過程中由于其降低了凝固點(diǎn)。加快了熔化，從而需要吸收大量的熱，反而吸走了冰水結(jié)合處的大量的熱，從而使冰水結(jié)合處的鹽水混合物發(fā)生凝固，暫時(shí)凝固。從而把繩子也凍上了。

（欄目編輯 陳潔）