物態(tài)變化與人工造“雪”

張軍

實(shí)驗(yàn)視頻

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不知不覺間，2021年已經(jīng)到了尾聲，冬天又來了。每到冬季，大家肯定都非常期盼下雪，因?yàn)橄卵┎粌H代表著可以堆雪人、打雪仗，還預(yù)示著快過年了......

下雪的背后究竟藏著什么科學(xué)原理？我們能不能在家里自己造一場“雪”？今天，我們就來體驗(yàn)一下宅在家都能玩“雪”的樂趣！

看不見的分子

物態(tài)變化是自然界最常見的現(xiàn)象之一，每時(shí)每刻都在我們身邊發(fā)生。以水為例，它不停地在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)這3種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化，我們見到的冰、露、霜、雪、霧等，都是水的化身。水蒸氣也是水的化身，但是我們的肉眼看不到，我們只能看到由水蒸氣變成的液態(tài)或固態(tài)。

自然界所有物體都是由大量分子構(gòu)成的。2500萬個(gè)人手拉手可以繞地球赤道一周，而2500萬個(gè)分子挨在一起排隊(duì)，長度只有1厘米。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，手指頭大的容器里，可容納約2.7×1019個(gè)氣體分子。假設(shè)讓這些氣體分子從容器中跑出來，1秒跑出1億個(gè)，需要9000年才能跑完。如果每秒數(shù)出100億個(gè)，要數(shù)80年。如果手指頭大的容器里裝的是水，大約有3.3×1022個(gè)水分子，把它們平均灑在地球表面，每平方厘米有6000多個(gè)水分子。現(xiàn)在我們知道分子是多么小了，肉眼根本看不見。

分子間有空隙。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，吹足氣的氣球放置幾天就會(huì)變癟，原因就是氣球內(nèi)的氣體分子從組成氣球皮的分子間隙跑掉了。打足氣的自行車放置一段時(shí)間，輪胎就會(huì)變癟，這也是同樣的道理。如果我們可以將自己變得像原子那樣小，或者像質(zhì)子、中子那樣小，就可以毫不費(fèi)力地穿過所有障礙物了。

固、液、氣的神奇變化

組成物質(zhì)的分子在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，溫度越高，分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈。分子間既有引力又有斥力，引力和斥力的大小與分子間距離有關(guān)。

一般來說，固體的分子間距離較小，分子間的引力和斥力都比較大，這就導(dǎo)致分子只能在平衡位置上做無規(guī)則的振動(dòng)。就像正在上課的學(xué)生，可以在自己座位上翻書、做筆記、調(diào)整坐姿，但是不能隨便“下位”。這就能讓固體維持一定的體積和形狀。當(dāng)我們給固體加熱時(shí)，或者說當(dāng)固體吸熱時(shí)，組成它的分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇，分子的振動(dòng)空間會(huì)變大。當(dāng)分子間距離拉開，宏觀上就表現(xiàn)為物體的體積增大。如果吸熱足夠多，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子就可以擺脫周圍分子的約束，能“下位”溜達(dá)了，這在宏觀上就表現(xiàn)為物體能流動(dòng)起來，固態(tài)就變成液態(tài)了，即發(fā)生了熔化。反之，如果我們將液體壓縮，或者降溫，又可以讓液態(tài)重新變?yōu)楣虘B(tài)，這就是凝固。

液體表面的分子相對于內(nèi)部的分子受到的約束少，在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，有可能脫離群體跑到空氣中去，這就是蒸發(fā)。蒸發(fā)總是發(fā)生在液體表面的，而且任何溫度下都會(huì)有分子“開小差”跑掉——也就是說，蒸發(fā)在任何溫度下都能發(fā)生。我們洗過手會(huì)晾干，洗過的衣服會(huì)晾干，地上的積水也會(huì)晾干，都是因?yàn)樗舭l(fā)了。如果環(huán)境溫度高，水分子能獲得更多的能量，就更有可能脫離其他分子的約束。所以，我們?nèi)绻胱対褚路焖僮兏蓵r(shí)，會(huì)將衣服晾在陽光下。當(dāng)然，還要把衣服盡量展開，能放風(fēng)口更好——表面積越大，表面空氣流速越大，水蒸發(fā)得越快。水蒸發(fā)時(shí)，需要從周圍吸收熱量，因此可以起到降溫的作用。夏天，我們在地面灑水來降低環(huán)境溫度，就是利用了這個(gè)原理。

相同條件下，酒精蒸發(fā)得更快。我們在溫度計(jì)的玻璃泡上噴些酒精，會(huì)迅速聞到刺激性氣味，這是因?yàn)榫凭舭l(fā)，酒精分子彌漫在空間里的緣故。由于蒸發(fā)吸熱，我們會(huì)觀察到溫度計(jì)的示數(shù)迅速下降。當(dāng)酒精蒸發(fā)完畢，溫度計(jì)示數(shù)又會(huì)慢慢上升，回到室溫。

由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，我們稱之為汽化。汽化有兩種方式，除了蒸發(fā)，還有沸騰。沸騰在液體表面和內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行，內(nèi)部的水蒸氣爭先恐后地往水面上升，導(dǎo)致水花翻滾，同時(shí)發(fā)出響聲。沸騰需要兩個(gè)條件：一是溫度達(dá)到沸點(diǎn)，二是能持續(xù)吸熱。沸點(diǎn)受氣壓影響，當(dāng)水面氣壓減小，水的沸點(diǎn)會(huì)降低;當(dāng)水面氣壓增大，水的沸點(diǎn)會(huì)升高。用高壓鍋可以增大水面氣壓，從而提高水的沸點(diǎn)，這樣食物就容易變熟。

我們在家燒水時(shí)，會(huì)看到水面冒“白氣”。這種“白氣”其實(shí)不是氣體，而是高溫的水蒸氣遇冷變成的小水珠，這個(gè)過程我們稱之為液化。拿起鍋蓋，我們會(huì)看到鍋蓋上的水滴，這也是水蒸氣液化而來的。等到鍋蓋的溫度升到一定程度，液化就不再發(fā)生了，因?yàn)榕c水蒸氣的溫度差太小了。冬天我們有時(shí)往手上哈氣給手取暖，手感覺暖和的同時(shí)，還會(huì)有濕濕的感覺，這是因?yàn)楹舫龅臏囟容^高的水蒸氣遇到溫度較低的手，放出熱量，液化成了小水珠。

固態(tài)和氣態(tài)之間也可以直接轉(zhuǎn)化。為了防蛀，我們會(huì)在衣柜或書櫥里放上樟腦丸。我們可以嗅到樟腦丸散發(fā)出的刺激性氣味——它由固態(tài)直接變成了氣態(tài)。這種物態(tài)變化叫作升華，需要吸熱。它的逆過程是凝華，需要放熱。白熾燈的燈絲是金屬鎢制作的，通電時(shí)鎢絲發(fā)光，因?yàn)槭軣幔糠宙u的分子從鎢絲上“逃逸”，變成了鎢蒸氣，升華就發(fā)生了。但是，這時(shí)鎢絲并沒有熔化，也就是說，升華的溫度是低于熔點(diǎn)的。燈滅了后，溫度下降，鎢蒸氣便放出熱量，發(fā)生凝華——在溫度較低的燈泡內(nèi)壁聚集，變成鎢粉，重新回到固態(tài)。因此，白熾燈使用時(shí)間長了以后，燈泡便會(huì)變黑，內(nèi)壁上的一層薄薄的鎢粉影響了透明度。同時(shí)，燈絲越來越細(xì)，也會(huì)讓功率下降。日光燈管變黑也是同樣的原因。

你留意過這些冬季現(xiàn)象嗎

氣溫很低的冬季，洗過的衣服晾在外面會(huì)變硬，這是因?yàn)樗塘恕５牵鶅龅囊路矔?huì)變干，因?yàn)楸l(fā)生了升華，直接變成了水蒸氣。哈爾濱在冬季會(huì)舉辦冰雕節(jié)，那些冰雕會(huì)一天天變小，也是因?yàn)樯A的緣故。冬天我們堆雪人，氣溫在0°C以下，雪不會(huì)熔化，但是雪人一天天變小，這也是因?yàn)檠┌l(fā)生了升華。

因?yàn)槿照眨諝庵械乃魵獍滋鞙囟容^高，夜晚環(huán)境溫度下降，水蒸氣對外放熱。當(dāng)溫度差不是很大時(shí)，可能發(fā)生液化現(xiàn)象，草葉上的露珠、浮在空中的霧就是這么形成的。如果氣溫驟降，導(dǎo)致溫差很大，水蒸氣則會(huì)發(fā)生凝華，地面上的霜和高空的雪都是這樣形成的。“霜前冷，雪后寒”，說的就是霜現(xiàn)象發(fā)生之前會(huì)有一個(gè)氣溫驟降的過程，而下完雪之后，不論雪發(fā)生熔化還是升華，都需要吸熱，導(dǎo)致氣溫降低。

冬天房間里溫度高，而窗玻璃溫度低，房間里溫度較高的水蒸氣就會(huì)在玻璃的內(nèi)表面發(fā)生液化，導(dǎo)致玻璃內(nèi)表面上起霧;或者發(fā)生凝華，導(dǎo)致玻璃內(nèi)表面上出現(xiàn)一層冰花。冰花、雪花、霜花都是水蒸氣凝華成的晶體，形狀規(guī)則，所以稱之為“花”。而在夏天，開空調(diào)的房間溫度低，室外水蒸氣溫度較高，水蒸氣會(huì)在玻璃外表面發(fā)生液化。坐公交車時(shí)，有時(shí)發(fā)現(xiàn)窗戶玻璃上也會(huì)出現(xiàn)白霧或冰花，它們一定出現(xiàn)在溫度高的那一側(cè)。

人工造“雪”的實(shí)驗(yàn)

我們可以利用樟腦丸，來做一個(gè)人工造“雪”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中一定要注意安全。

找個(gè)錐形瓶或者玻璃杯、試管、玻璃瓶，其他透明的、防燙的容器也行。將樟腦丸包在紙里，用錘子或者鉗子將樟腦丸粉碎，然后將粉末倒入容器底部。在容器里吊掛些布條，或者小樹枝、棉線等，再將容器加熱。加熱方式有很多，可以用酒精燈火焰、蠟燭火焰加熱，或者將容器底部放進(jìn)開水中。一兩分鐘后，停止加熱。如果加熱溫度比較高，我們可以觀察到容器中出現(xiàn)液態(tài)物質(zhì)，這是樟腦丸的熔化現(xiàn)象。不需要達(dá)到這么高的溫度，樟腦丸就會(huì)升華。

停止加熱后，靜待容器冷卻，你會(huì)看到容器內(nèi)壁出現(xiàn)細(xì)小的樟腦丸晶體，就像一片片雪花。此時(shí)將小樹枝、布條、棉線等從容器中取出，你就可以仔細(xì)觀察附著在上面的“雪花”了。