認(rèn)識熔化凝固圖像

自然界發(fā)生的熔化與凝固現(xiàn)象實(shí)在是太常見了：河水結(jié)冰、冰川消融……下面，我們通過實(shí)驗(yàn)“探究冰、石蠟的熔化特點(diǎn)”來闡述一下如何科學(xué)合理地運(yùn)用圖像法來研究物理問題.

探究過程：設(shè)計(jì)如圖1裝置

在圖1甲試管中放入碎冰，并在碎冰中插入溫度計(jì)，利用空氣對冰進(jìn)行加熱，每隔0.5min記錄一下溫度計(jì)的示數(shù)，同時(shí)注意觀察試管中冰的狀態(tài)變化，直到冰塊全部熔化后2min為止.

在圖1乙試管中放入碎石蠟，并在碎石蠟中插入溫度計(jì)，利用水浴法對石蠟均勻加熱，每隔0.5min記錄一下溫度計(jì)的示數(shù)，同時(shí)注意觀察試管中石蠟的狀態(tài)變化，直到石蠟全部熔化后2min為止.

將實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)記錄在表格中：

（下表為筆者收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，可以總結(jié)出冰和石蠟在熔化前、熔化過程中和熔化后三個(gè)階段的溫度特點(diǎn)和狀態(tài)特點(diǎn)：

冰在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中不斷吸熱，熔化前溫度上升，呈固態(tài)；熔化過程中溫度不變，呈固液共存態(tài)；熔化結(jié)束后溫度不斷上升，呈液態(tài).

石蠟在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中不斷吸熱，熔化前溫度上升，呈固態(tài)；熔化過程中溫度上升，由固態(tài)逐漸變軟、變粘稠、能流淌；熔化結(jié)束后溫度上升，呈液態(tài).

為了更直觀地表示并研究溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，我們采用圖像法.首先要畫出方格紙，一般用縱軸表示溫度，橫軸表示時(shí)間，根據(jù)表中數(shù)據(jù)在方格紙上描點(diǎn)，然后將這些點(diǎn)用平滑曲線連接，便得到了冰和石蠟熔化時(shí)溫度隨時(shí)間變化的圖像，如圖2.（同理我們也能得到凝固圖）

通過對比表格和圖像，我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用圖像法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，能更直觀地體現(xiàn)規(guī)律，有助于對熔化和凝固知識的理解與掌握.

根據(jù)圖像可以看出冰有固定的熔化溫度——熔點(diǎn)，且在熔化過程中溫度保持不變.而石蠟沒有固定的熔化溫度，且在整個(gè)過程中溫度一直上升.因此，我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的差異，將類似于冰一樣的有固定熔化溫度的固體稱為晶體，將類似于石蠟一樣的沒有固定熔化溫度的固體稱為非晶體.

那么，如何理解圖像的物理含義呢？

圖3是晶體的熔化圖像，圖像中各線段所表示的過程及物理意義為：

AB段表示固態(tài)晶體的吸熱升溫過程.

BC段表示晶體的熔化過程，該過程中，晶體不斷吸熱，但溫度保持不變，BC段對應(yīng)的溫度值就是該晶體的熔點(diǎn)，BC段對應(yīng)的時(shí)間即為熔化時(shí)間.

CD段表示晶體的液態(tài)吸熱升溫過程.

B點(diǎn)表示該晶體溫度剛上升到熔點(diǎn)，將要熔化還未熔化的瞬間，此時(shí)仍處于固態(tài).

C點(diǎn)表示該晶體剛?cè)刍Y(jié)束，將要升溫還未升溫的瞬間，此時(shí)全部為液態(tài).

圖4為非晶體的熔化圖像，通過圖像能快速發(fā)現(xiàn)非晶體的熔化特點(diǎn)：吸熱、不斷升溫、沒有固定的熔化溫度.

同理我們也能解釋晶體和非晶體的液態(tài)凝固圖像的物理意義.

圖5為晶體的液態(tài)凝固圖像，圖像中各線段所表示的過程及物理意義為：

DE段表示晶體的液態(tài)放熱降溫過程.

EF段表示晶體的液態(tài)凝固過程，該過程中，物質(zhì)繼續(xù)放熱，但溫度保持不變，EF段對應(yīng)的溫度值就是該晶體的凝固點(diǎn)，EF段對應(yīng)的時(shí)間即為凝固時(shí)間.

FG段表示固態(tài)晶體放熱降溫過程.

E點(diǎn)表示該晶體的液態(tài)溫度剛下降到凝固點(diǎn)，將要凝固還未凝固的瞬間，此時(shí)仍處于液態(tài).

F點(diǎn)表示該晶體剛凝固結(jié)束，將要降溫還未降溫的瞬間，此時(shí)全部為固態(tài).

通過圖6也能快速發(fā)現(xiàn)非晶體的液態(tài)凝固特點(diǎn)：放熱、不斷降溫、沒有固定的凝固溫度.

請同學(xué)們根據(jù)圖7回答：

（1）反應(yīng)晶體熔化、凝固時(shí)溫度變化規(guī)律的是圖 .

（2）圖線中線段 表示晶體在熔化過程中，圖線中線段 表示晶體在凝固過程中.

（3）把A和C兩種物質(zhì)混合在一起（假設(shè)它們不會發(fā)生化學(xué)變化），在溫度升高過程中， 將先熔化，在溫度降低過程中， 先凝固.

解析 （1）A中FG段溫度保持不變，C中LM段溫度保持不變，所以A、C是晶體.B、D溫度在整個(gè)過程不斷變化，所以是非晶體.故答案為A、C.

（2）A中溫度隨時(shí)間有上升的趨勢，所以A為晶體的熔化圖像，F(xiàn)G段溫度保持不變，所以FG表示晶體的熔化過程.C中溫度隨時(shí)間有下降的趨勢，所以C為晶體液態(tài)時(shí)的凝固圖像，LM段溫度保持不變，所以LM為晶體液態(tài)時(shí)的凝固過程.故答案為FG；LM.

（3）由圖知：A的熔點(diǎn)（或凝固點(diǎn)）為80℃，C的熔點(diǎn)（或凝固點(diǎn)）為30℃.所以在溫度升高時(shí)，先達(dá)到C的熔點(diǎn)，所以C先熔化，在溫度降低時(shí)A先凝固.故答案為C；A.

說明 晶體熔化需要同時(shí)具備兩個(gè)條件：一是溫度要達(dá)到熔點(diǎn)；二是能繼續(xù)吸熱.同理，液體凝固成晶體的條件是：溫度下降到凝固點(diǎn)并能繼續(xù)放熱.

在熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)時(shí)的晶體可能是固態(tài)，可能是液態(tài)，還可能是固液共存態(tài).如圖8中，B點(diǎn)是固態(tài)，C點(diǎn)是液態(tài)，BC之間的任一點(diǎn)都是固液共存態(tài).因此，我們可以通過測量晶體呈固液共存態(tài)時(shí)的溫度來知道它的熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)，并能發(fā)現(xiàn)同種晶體熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)是相同的.

溫度處于熔點(diǎn)的物質(zhì)是發(fā)生熔化還是凝固以及是否發(fā)生物態(tài)變化都是不確定的，這要看物質(zhì)達(dá)到熔點(diǎn)后是吸熱還是放熱以及是否能吸放熱.只有對實(shí)際情景進(jìn)行具體分析，才能做出具體的判斷，切不可想當(dāng)然得出結(jié)論.