水凝固和冰熔化實例分析

春天來了，河面上的冰開始熔化成水.炎炎的夏天，灑在地上的水干了，變成看不見的水蒸氣，跑得無影無蹤.想了解這是為什么嗎？物質的狀態不是一成不變的.當物體溫度發生變化時，物質的狀態也往往發生改變.

一、水凝固實驗

在冰格中倒水，水深3mm，放入冰箱中，每過10min取出來觀察它的狀態，并測量它的溫度，直到全部結成冰后2min為止.依據表格中的數據，畫出溫度——時間圖像如圖1.從圖1可知，水凝固過程中，雖然持續放熱，但溫度不變，說明液態的晶體凝固時溫度保持不變.

本實驗中兩個相同的小碟子，一個放滿水，另一個放滿鹽水.同時放入冰箱的同一位置處，經過40min后，水全部結冰，鹽水沒有全部結冰.用溫度計分別量出冰的溫度為0℃，固液共存態的鹽水溫度是-3℃；然后將鹽水又放入冰箱中過了10min后，才全部凝結.這說明：有雜質（如鹽）時，凝固點降低.

小結：水的凝固點高低與是否有雜質有關，有雜質時凝固點降低.

應用：在東北地區，為了防止汽車中的水結冰，都摻入一些雜質.

二、冰熔化實驗

把碎冰塊放入燒杯中，插入溫度計.記下這時溫度計的示數，每隔2min記錄一次溫度計的示數，同時觀察杯中冰狀態的變化，直到冰塊全部熔化后2min為止.

按照課本裝置進行冰熔化實驗，用酒精燈給冰加熱熔化，觀察時發現當冰塊才有少數熔化時，溫度計示數已明顯高于0℃，原因是燒杯在酒精燈火焰的輻射下溫度偏高.不用酒精燈加熱，直接在室溫25℃的實驗室做實驗，使200g冰熔化，共用了22min，下面的表格就是實驗記錄.

依據表格中的數據，畫出溫度——時間圖像（圖2）.從圖可見：冰熔化過程中雖然持續吸熱，但溫度保持不變，說明冰是晶體.

本實驗中兩盆涼水，其中一盆放入足夠多的食鹽.把凍魚平分成兩份，分別浸沒到兩盆中.觀察現象：發現兩盆水中的魚都已經解凍，淡水中魚外面結了一層冰，而鹽水盆中的魚不見結冰.

原因：凍魚就是魚的體液結了冰，而魚的體液中含有大量鹽類，所以其熔點要低于0℃，當用淡水化凍魚時，先是凍魚吸熱升溫并且部分化凍，同時外面的淡水由于放熱降溫到0℃，并在魚體外表結冰.魚體進一步吸熱到全部熔化，外面冰層達到最大厚度，這時魚、冰水的溫度都是0℃.

三、冰與水相互轉化的條件

例1 把正在熔化的冰，拿到0℃的房間里（它們與外界不發生熱傳遞），冰能不能繼續熔化？

分析 正在熔化的冰是冰水混合物，冰水混合物的溫度是0℃，0℃的冰與0℃的房間溫度相同，沒有溫度差，它們之間不發生熱傳遞，因此冰不能繼續熔化.

例2 電視上在介紹我國南極科考隊時，有這樣一個鏡頭：科考隊員在地面上捧了一大塊冰，放入鋁鍋中加熱，好久以后掀開鍋蓋，它還是一塊冰，為什么？

答 南極氣溫極低（年平均氣溫-56℃），冰的溫度也是-56℃，這樣冰加熱后首先是升溫，而不是熔化，要熔化必須達到0℃.

例3 質量相等的0℃的水與0℃的冰，誰的冷卻效果好，為什么？

分析 0℃的水與0℃的冰，溫度相同，則冷熱程度是一樣的，因此認為冷卻效果也相同，這就錯了.用0℃的水與0℃的冰冷卻食物，冰會發生熔化，熔化吸熱后變成了0℃的水.顯然質量相等的0℃的水與0℃的冰冷卻食物時，0℃的冰能吸收更多的熱量，因此用質量相等的0℃的冰去冷卻食物比0℃的水冷卻食物效果更好些.

四、生活中的故事

秦王的水晶宮

2000多年前，秦王建造了一座宮殿，非常豪華.特別奇妙的是，在炎熱的夏天，這座宮殿里卻非常涼爽，如同進了水晶宮，正因如此，人們把這座宮殿叫做秦王的水晶宮.

為什么秦王的水晶宮里會有這樣低的溫度呢？從表面上看，這座建筑除了有較多的銅柱外，再沒有什么特殊的地方.

可是奧妙就出在這一根根銅柱上.秦王的水晶宮里的這些銅柱不僅有支撐屋頂的功能，而且還是殿里降低溫度的裝置.原來這一根根銅柱全是空心的，每當盛夏到來之際，人們便把冬天收藏在冰窖里的天然冰裝進銅柱里，這就是秦王水晶宮溫度降低的原因.

為什么把冰裝到銅柱里可以降低宮殿中的溫度呢？我們知道，任何一種晶體物質由固態變成同溫度的液態時，都要吸收一定的熱量.0℃的冰熔化成同溫度的水要吸熱，而且冰熔化成水吸收的熱量遠遠大于別的物質熔化時吸收的熱量.另外，銅是傳熱的良好材料，當銅柱里的冰熔化時，銅柱能很好地從周圍吸熱.這樣，整個宮殿里的溫度就會大大降低了.

我國用冰降溫有著悠久的歷史，早在3000年前詩歌集《詩經》中就有冬天鑿冰，藏進冰窖的記載.周朝王宮里就設有專門負責管冰的“凌人”.冬天鑿冰保存，夏天用冰解暑的做法一直延續到清朝.北京有個地名“冰窖口”，就是由此得名的.

愛斯基摩人的冰屋

冰是冷的象征，一提到它，人們就會不寒而栗.但是，生活在北極圈里的愛斯基摩人，卻憑著用冰壘成的房屋，熬過嚴寒的冬天.

在北極圈內，有取之不盡的冰，又有用之不竭的水.每當冬天到來之前，愛斯基摩人都要建造冰屋.他們先把冰加工成一塊塊規則的長方體，這就是“磚”；用水作為“泥”.材料準備好以后，他們在選擇好的地方，潑上一些水，壘上一些冰塊，再潑一些水，再壘一些冰塊；前邊不斷地壘著，后邊不斷地凍結著，壘完的房屋就成為一個凍結成的整體冰屋.

愛斯基摩人的冰屋是怎樣起到保暖防寒作用的呢？

首先，由于冰屋結實不透風，能夠把寒風拒之屋外，所以住在冰屋里的人，可以免受寒風的襲擊.其次，冰是熱的不良導體，能很好地隔熱，屋里的熱量幾乎不能通過冰墻傳導到屋外.再次，凍結成一體的冰屋，沒有窗子，門口掛著獸皮門簾，這樣可以大大減少屋內外空氣的對流.

正因為如此，冰屋內的溫度可以保持在零下幾度到十幾度，這相對于零下50多度的屋外，要暖和多了.愛斯基摩人穿上皮衣，在這樣的冰屋里完全可以安全過冬了.當然，冰屋里也不允許生火取暖，因為冰在0℃以上就會熔化成水.

多孔的凍豆腐

寒冷的冬天，吃上一碗熱乎乎的“凍豆腐”，那真算得上是一種別具風味的好菜呢！

豆腐本來是光滑細嫩的，冰凍以后，它的模樣為什么會變得像泡沫塑料呢？

豆腐的內部有無數的小孔，這些小孔大小不一，有的互相連通，有的閉合成一個個小“容器”，這些小孔里面都充滿了水分.我們知道，水有一種奇異的特性：在4℃時，它的密度最大，體積最小；到0℃時，結成了冰，它的體積不是縮小而是脹大了，比常溫時水的體積要大10%左右.當豆腐的溫度降到0℃以下時，里面的水分結成冰，原來的小孔便被冰撐大了，整塊豆腐就被擠壓成網絡形狀.等到冰熔化成水從豆腐里跑掉以后，就留下了數不清的孔洞，使豆腐變得像泡沫塑料一樣.凍豆腐經過烹調，這些孔洞里都灌進了湯汁，吃起來不但富有彈性，而且味道也格外鮮美可口.

很早以前，我國人民就已經懂得了冰凍膨脹的原理，并利用它來開采石頭：冬天，他們在巖石縫里灌滿水，讓水結冰膨大，把巨大的山石撐得四分五裂，很快就能采到大量的石料.

近年來，工業生產上出現了一種巧妙的新工藝——“冰凍成型”，也是冰凍膨脹原理的應用.辦法是：根據零件的形狀，用強度很大的金屬，做一個凹形的陰模和一個凸形的陽模，把要加工的金屬板放在兩個模的中間，在陽模和密閉的外殼之間，灌滿4℃左右的水，然后把這個裝置冷卻到0℃以下.這時，由于水結冰，體積膨脹，所產生的巨大力量把陽模壓向陰模，便把金屬板壓成一定形狀的部件了.

由于水在4℃時的密度最大，體積最小，水溫低于4℃時體積反而增大，所以，在4℃時水就不再上下對流了.因此，到了冬季，寒冷地區的江河湖海，表面上雖然結了厚厚的冰層，但下面水的溫度卻保持在4℃左右，這就給水生物創造了生存的環境.