芻議《物態(tài)變化》中三個基本問題

郭成

1蒸發(fā)只能發(fā)生在液體表面嗎？

關(guān)于蒸發(fā)現(xiàn)象發(fā)生的部位，教材當中有這樣的敘述：“物理學中，把只在液體表面發(fā)生的汽化現(xiàn)象叫做蒸發(fā)”.對沸騰發(fā)生的部位，教材是這樣表述的：“沸騰是在液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的劇烈的汽化現(xiàn)象”.從這個表述可以看出：（1）蒸發(fā)只能發(fā)生在液體表面，而無法在液體內(nèi)部發(fā)生；（2）沸騰是液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的，即不存在“局部的沸騰”.

于是，筆者設(shè)計了以下一段對話：

A：我燒水時發(fā)現(xiàn)，加熱時間不長，壺底和內(nèi)壁上已經(jīng)產(chǎn)生了不少氣泡，并且氣泡還越來越大，這屬于蒸發(fā)還是沸騰呢？

B：應該是沸騰吧，因為蒸發(fā)只能發(fā)生在液體表面，壺底和內(nèi)壁產(chǎn)生氣泡肯定不屬于蒸發(fā).

A：但此時的水離沸騰還早著，剛燒一會兒就有這個現(xiàn)象了.

B：雖然整體上水沒有沸騰，但壺底的水溫較高，已經(jīng)先沸騰了.

A：請問沸騰可以只發(fā)生在液體內(nèi)部嗎？

B：不可以，沸騰應該是內(nèi)部和表面同時發(fā)生的.

正確解釋水中溶解了少量氣體雜質(zhì)（如氧氣、氯氣、二氧化碳），加熱過程中水溫升高，導致氣體雜質(zhì)的溶解度降低，從水中逸出.但逸出的氣體雜質(zhì)非常有限，無法持續(xù)產(chǎn)生大量氣泡，所以水沸騰前壺底產(chǎn)生的氣泡的主要成分確實是水蒸氣.這些水蒸氣是通過蒸發(fā)的方式得到的：氣體雜質(zhì)逸出后在壺底和內(nèi)壁形成非常細小的氣泡，一旦產(chǎn)生細小的雜質(zhì)氣泡，就構(gòu)成了氣體和液體的界面（氣泡壁），為水在液體內(nèi)部蒸發(fā)提供了條件，水分子可以從液態(tài)水進入氣泡，這就是我們熟知的蒸發(fā)現(xiàn)象.如果將水煮沸后冷卻，然后重新加熱直到沸騰前，壺底都不會再產(chǎn)生氣泡.原因在于水中少量的氣體雜質(zhì)已經(jīng)在第一次沸騰中徹底逸出，所以第二次加熱不會再有細小的雜質(zhì)氣泡，沒有氣泡壁，液體就無法在內(nèi)部進行蒸發(fā).

總結(jié)建議教科書對蒸發(fā)部位的表述修改為：“蒸發(fā)只能發(fā)生在液體與氣體的界面上.”微小的改動所隱含的意義卻不小.蒸發(fā)需要一定的條件，即存在液體與氣體的界面，只要具備這一條件，即使在液體內(nèi)部同樣可以蒸發(fā).

2零攝氏度的規(guī)定嚴謹嗎？

教材介紹“攝氏溫標”時作出如下的表述：“該溫標規(guī)定，標準大氣壓下冰水混合物的溫度為0 ℃，水沸騰時的溫度為100 ℃”.水沸騰時的溫度被規(guī)定為100 ℃是沒問題，但“冰水混合物的溫度為0 ℃”這句話卻會造成理解上的困惑.

困惑一既然承認是冰水“混合物”，那么當然其中有冰也有水，即不止一個對象，那么，“溫度為0 ℃”是針對哪一個對象來說的？

困惑二“冰水混合物”的定義是什么？能否簡單地從字面上來理解，即只要滿足“既有冰，又有水”就可以被稱作“冰水混合物”？

文本探析假定“冰水混合物”指的就是“既有冰，又有水”的狀態(tài)，那么事實上這種“混合物”的溫度未必就是0 ℃.例如，在標準大氣壓下將冰塊投入沸水中，在冰完全熔化之前，都可以被稱作“冰水混合物”，然而如果我們用溫度計去測量此時的溫度，肯定不是0 ℃.而此時溫度計所測得的，實際上是這種“冰水混合物”當中的水的溫度，卻不是冰的溫度.究其原因，此時的冰與水之間有溫差，仍然發(fā)生著熱傳遞，或者說此時的“冰水混合物”還沒有達到熱平衡狀態(tài).從操作層面來說，固體溫度需要用“表面溫度計”來測量，普通實驗室溫度計無法測出冰塊溫度.

總結(jié)對于“0 ℃”的規(guī)定，如果一定要按照原始定義的思路，應該作如下表達：“我們規(guī)定，一個標準大氣壓下，達到熱平衡狀態(tài)時，冰水混合物中冰和水的溫度都為0 ℃”.這樣雖然嚴密，但不夠簡潔，不適用.筆者建議，不妨直接修改為“一個標準大氣壓下，水凝固時的溫度為0 ℃”.

3酒精燈外焰加熱更快嗎？

關(guān)于使用酒精燈的注意事項，教材這樣描述“酒精燈火焰的外焰部分溫度最高，應該用外焰給物體加熱”.這句話中雖然沒有“因為……所以……”或“由于……因此……”這種表因果關(guān)系的關(guān)聯(lián)詞，但分析語境，可以認為這句話逗號前后存在因果的關(guān)聯(lián).即“因為外焰溫度高，所以應該用外焰加熱”.

原理分析一般認為酒精燈的外焰溫度最高，原因是酒精蒸汽在外焰燃燒最充分.盡管這一結(jié)論近年來也遭到一些質(zhì)疑，但本文對這一結(jié)論且不持懷疑態(tài)度，即認同外焰溫度最高.本文中，筆者只針對教材文本表述的因果關(guān)系進行思考和探討.

為什么要用外焰對物體進行加熱？這樣做的好處是什么？通常解釋是：“因為外焰溫度高，所以用外焰加熱更快，從而縮短加熱時間.”但是，決定加熱時間長短的因素是溫度高低嗎？不是.

以教材的“觀察水的沸騰”實驗為例，燒杯中水溫升高的快慢取決于燒杯單位時間內(nèi)吸收的熱量（即燒杯的吸熱功率），而燒杯的吸熱功率又取決于火焰單位時間內(nèi)對燒杯放出的熱量（即火焰的加熱功率），火焰的加熱功率又取決于單位時間內(nèi)酒精損失的化學能，即取決于酒精的消耗速度.一旦酒精的消耗速度確定，加熱的快慢程度也就確定了.

舉一個簡單的例子，要將一大桶水煮沸，現(xiàn)有兩種加熱方案：（1）用一盞酒精噴燈（溫度可達1000 ℃）單獨對這桶水加熱；（2）點一堆篝火，溫度可達600 ℃，將這桶水置于其中加熱.兩種方案，哪一種先將一大桶水煮沸？

如圖1所示，觀察酒精燈的火焰會發(fā)現(xiàn)，火焰形狀是[TP8CW01.TIF，Y#]上尖下粗，如果將燒杯置于焰尖部位加熱，雖然外焰溫度高，但焰尖部位的加熱面積很小，就相當于前例中獨立工作的酒精噴燈.內(nèi)焰溫度雖然沒有外焰高，但內(nèi)焰很粗，若將燒杯置于內(nèi)焰處，加熱面積較大，這就相當于前例中的一堆篝火.不妨大膽地類比水流落體運動時越來越細的現(xiàn)象，猜想，火焰形狀之所以上尖下粗，也許就是為了能夠讓各處的加熱功率相等，也就是說火焰形狀是受能量守恒定律的制約才變成上尖下粗的.

實驗筆者親自做了3組加熱實驗（均符合控制變量法要求）發(fā)現(xiàn)使用酒精燈內(nèi)焰與外焰加熱至燒杯中的水沸騰所需時間基本相同，甚至有一組實驗結(jié)果是：用內(nèi)焰比用外焰加熱更快（筆者猜想可能是用外焰加熱時，熱損失過多所致）.

總結(jié)用酒精燈內(nèi)焰和外焰到底哪個加熱更快？筆者認為，即便真的“外焰比內(nèi)焰加熱更快”，也絕不是“外焰溫度最高”的功勞，而應該從能量上來尋求合理解釋.總之，“酒精燈外焰溫度最高”與“應該用外焰給物體加熱”之間是沒有因果關(guān)系的.