冰水混合物的溫度與“溫速”

白 凈

(北京四中呼和浩特分校 010010)

在中學(xué)教材中，沿用“冰水混合物的溫度為0℃”[1].認(rèn)為冰的熔點(diǎn)和水的凝固點(diǎn)相同，所以二者混合后溫度保持0℃.實(shí)際中是否完全是這種情況呢？冰水混合物的溫度為0℃有什么限制條件？

一、試驗(yàn)方案

考慮環(huán)境條件和外界能量變化等因素，共設(shè)計(jì)4組試驗(yàn).

試驗(yàn)1：預(yù)制冰水混合物始終處于一個(gè)大氣壓、0℃環(huán)境，無能量輸入；

試驗(yàn)2：預(yù)制冰水混合物置于一個(gè)大氣壓、25℃室溫環(huán)境條件下，靜置3小時(shí)，無其它熱源加熱；

試驗(yàn)3：預(yù)制冰水混合物置于一個(gè)大氣壓、25℃室溫環(huán)境條件下，并通過熱源給預(yù)制冰水混合物快速加熱；

試驗(yàn)4：預(yù)制冰水混合物置于一個(gè)大氣壓、環(huán)境溫度為-10℃的條件下，靜置3小時(shí)，無能量輸入.在試驗(yàn)過程中，每隔1分鐘測讀一次冰水混合物溫度，直至溫度不再發(fā)生變化.

二、試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1中冰水混合物的溫度始終為0℃；

試驗(yàn)2中冰水混合物中的冰緩慢發(fā)生融化，冰水混合物的溫度會(huì)稍有升高，升高程度較小；

試驗(yàn)3中冰水混合物中的冰迅速融化，同時(shí)冰水混合物的溫度也迅速升高且升高程度較大；

試驗(yàn)4中冰水混合物的溫度由0℃緩慢降低，降低幅度不大，最終凝結(jié)成冰.

試驗(yàn)2～試驗(yàn)4表明，一個(gè)大氣壓下，冰水混合物的溫度并非總為0℃，可能高于或低于0℃，其大小受環(huán)境溫度及外界能量輸入快慢影響.對(duì)比試驗(yàn)2試驗(yàn)3，在環(huán)境溫度一定的情況下，外界能量輸入越快，冰水混合物溫度越高，也就是說“溫速”越大，升溫越高.所謂溫速(x)，是指單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量水的溫度升高值，其大小取決于外界能量的輸入快慢，如式(1)所示.試驗(yàn)4中溫速反向增大較小，冰水混合物溫度較低較小.

三、分析

冰水混合物作為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)吸收的熱量=冰吸收的熱量+水吸收的熱量.冰吸收的熱量促使冰融化，水吸收的熱量一部分(Q1)通過熱傳導(dǎo)給冰使冰融化，另一部分(Q2)則沒來得及傳導(dǎo)至冰致使水溫升高.冰水混合物的溫度實(shí)際上主要測定的是冰水混合物中水的溫度(溫度計(jì)被水緊緊包裹)，如圖所示.據(jù)式(1)，在外界有能量輸入時(shí)，此時(shí)公式中的Q即為Q2，Q2不為0，則x不為0，水溫升高，冰水混合物溫度升高；在外界能量輸入較快時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)Q2也越大，則x越大，冰水混合物的溫度升高越大.同理，系統(tǒng)能量輸出時(shí)，x反向增大，會(huì)導(dǎo)致水結(jié)冰，溫度降低.因此溫速可作為影響冰水混合物溫度的評(píng)價(jià)指標(biāo).

試驗(yàn)和理論分析均表明，冰水混合物的溫度不完全是0℃；在有外界能量輸入的情況下，冰水混合物的溫度會(huì)升高；在能量輸出時(shí)，冰水混合物溫度會(huì)降低；升高和降低幅度，可用溫速指標(biāo)衡量；只有在一個(gè)大氣壓、0℃環(huán)境、無能量輸入情況下，冰水混合物溫度才為0℃.

參考文獻(xiàn)：

[1]物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書《物理》(八年級(jí)上冊)[M].北京：人民交通出版社,2012(48).

[2]物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書《物理》(九年級(jí)全一冊)[M].北京：人民交通出版社,2013(14).