優(yōu)化證明干冰入水后水面白霧成因的方案

趙彩紅

(江蘇省南京漢開書院學(xué)校 江蘇 南京 210000)

1 提出優(yōu)化方案

文獻(xiàn)[1]中篇名為“舞臺(tái)干冰造霧成因探討”的內(nèi)容引起了筆者的注意，因?yàn)樵趲W(xué)生做干冰升華實(shí)驗(yàn)時(shí)也存在同樣的疑問，詳細(xì)學(xué)習(xí)后非常贊同這篇文章中提到的“白霧不是水蒸氣液化現(xiàn)象”這一猜想[1]，但發(fā)現(xiàn)文中的證明過程有3處不嚴(yán)謹(jǐn)：

第一處：“將干冰放在水面上方空氣中，可以看到有少量的白霧形成，這些白霧與將干冰放入水中形成的白霧相比，基本上可以忽略不計(jì)”.這里看似是對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其實(shí)存在很大的問題，因?yàn)楦杀旁谒嫔戏缴A吸收的熱量基本上都是來自空氣，而放入水中升華吸收的熱量主要來自水中.在兩次實(shí)驗(yàn)中，干冰升華的快慢不同，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，等量的干冰在空氣中完全升華成氣體二氧化碳需要的時(shí)間比在水中長(zhǎng)，那產(chǎn)生的白霧少是正常現(xiàn)象.

第二處：“將干冰放入水中，吹開水面白霧，可以看到氣泡在上升到水面前面已經(jīng)是奶白色，再將干冰放入水中和油中進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以看到油面上沒有白霧”，從而得到了結(jié)論“二氧化碳?xì)馀菰谶_(dá)到水面之前，內(nèi)部就已經(jīng)形成了白霧”.實(shí)驗(yàn)中干冰在水中升華快，水中氣泡運(yùn)動(dòng)也非常快，作者“看到”水中氣泡是“奶白色”就能得到“氣泡內(nèi)是白霧”這個(gè)結(jié)論了嗎？那不含有白霧的氣泡是什么顏色？還有干冰放入水中和油中的對(duì)比實(shí)驗(yàn)只能證明產(chǎn)生“白霧”的“初始物質(zhì)”來自水中.

第三處：“大量干冰放入水中”能產(chǎn)生大量白霧，“一段時(shí)間后”“底部干冰已經(jīng)被冰塊包裹著，沒有再出現(xiàn)少量干冰實(shí)驗(yàn)中的大量奶白色氣泡”“側(cè)面證明干冰升華產(chǎn)生的二氧化碳使水霧化”.文中用了兩處對(duì)比：“大量干冰放入水中時(shí)”與“一段時(shí)間后”對(duì)比，和“一段時(shí)間后被冰包裹著的干冰”與“少量干冰”對(duì)比.“被冰包裹著的干冰”升華慢，水中氣泡運(yùn)動(dòng)的也慢了一些，不是“奶白色”不能得出文中的結(jié)論.

基于以上的證明過程存在的不足，提出在探究“干冰入水后水面白霧成因”時(shí)采用下面的實(shí)驗(yàn)證明流程.

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探究方案

2.1 實(shí)驗(yàn)一：杯口“白霧”是不是空氣中水蒸氣液化形成的

實(shí)驗(yàn):取3小塊干冰片，一塊直接放在水面上，另外兩塊分別放在塑料片和硬紙片上并讓它們漂在水面，如圖1所示.

圖1 干冰接觸3種不同的物質(zhì)漂在水面上

現(xiàn)象:直接放在水面上的干冰片像小船一樣到處游動(dòng)，同時(shí)在其周圍伴有大量的“白霧”出現(xiàn)，而另外兩塊干冰片周圍只有少量的“白霧”.

結(jié)論:在水面上方水蒸氣含量相同的情況下，產(chǎn)生“白霧”量相差如此之大，只能說明“白霧”并不是由空氣中的水蒸氣液化形成的.

追問:產(chǎn)生“白霧”的初始物質(zhì)有沒有可能是來自于杯內(nèi)的水中呢？

2.2 實(shí)驗(yàn)二：杯口“白霧”的初始物質(zhì)來自哪里

實(shí)驗(yàn):在兩個(gè)相同的杯內(nèi)分別倒入溫度相同、等量的煤油和水，將等量的干冰放入兩個(gè)杯中，如圖2所示.

圖2 杯內(nèi)分別為等溫等量的水和煤油時(shí)的比較實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)象:盛有煤油的杯口只有極少量的“白霧”出現(xiàn)，幾乎看不到，而盛有水的杯口卻有大量“白霧”出現(xiàn).

結(jié)論:水杯杯口的“白霧”主要來自于杯內(nèi)的水中.

追問:既然水杯杯口的“白霧”不是由空氣中的水蒸氣液化形成，而是來自杯內(nèi)，那么“白霧”是水杯中的水先汽化然后再在杯口液化形成的嗎？

2.3 實(shí)驗(yàn)三：杯口“白霧”的形成不是液化現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn):在兩個(gè)相同的杯內(nèi)分別放入溫度相同的水，取兩份等量的干冰，一份干冰直接投放到水中，一份干冰用紗布包裹起來投放到水中(如圖3所示).

現(xiàn)象:干冰直接投放到水中后(圖3左)，干冰升華產(chǎn)生的氣泡是白色的(主要成分是二氧化碳?xì)怏w和液態(tài)小水珠)，并且在杯口出現(xiàn)大量的“白霧”.而用紗布包裹的干冰投放到水中后(圖3右)，從水中冒出的氣泡幾乎是無色透明的(主要成分是二氧化碳?xì)怏w和少量的液態(tài)小水珠)，杯口只出現(xiàn)少量的“白霧”.

圖3 干冰直接放入水中與包裹放入水中的比較實(shí)驗(yàn)

結(jié)論:這一實(shí)驗(yàn)表明，杯口的“白霧”并不是水蒸氣液化形成的，而是“霧化”形成的，即是液態(tài)水先被“擊碎”成小水珠然后被氣泡帶出水面，它不屬于物態(tài)變化現(xiàn)象.

3 干冰入水后水面“白霧”成因解釋

下面分析推理干冰放入水中后為什么可以使水“霧化”的成因.根據(jù)超聲波霧化器原理——利用超聲能量使液體形成微細(xì)霧滴，其霧化方式為：處于振動(dòng)表面的薄液層在超聲振動(dòng)作用下激起“毛細(xì)——重力波”，當(dāng)振動(dòng)面的振動(dòng)幅度達(dá)到一定值時(shí)液滴即從駐波峰上飛出而成霧[2].當(dāng)干冰放入溫水后迅速升華成二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳?xì)怏w在釋放的過程中產(chǎn)生劇烈振蕩，把干冰表面的水“擊碎”形成小水珠儲(chǔ)存在二氧化碳?xì)馀堇铮磮D3(左)中上升的白色氣泡，氣泡上升到液面后再將氣泡中的“白霧”釋放到空氣中.