優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校 江蘇 南京 210000)

1 提出優化方案

文獻[1]中篇名為“舞臺干冰造霧成因探討”的內容引起了筆者的注意，因為在帶學生做干冰升華實驗時也存在同樣的疑問，詳細學習后非常贊同這篇文章中提到的“白霧不是水蒸氣液化現象”這一猜想[1]，但發現文中的證明過程有3處不嚴謹：

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”.這里看似是對比實驗，其實存在很大的問題，因為干冰放在水面上方升華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.在兩次實驗中，干冰升華的快慢不同，根據大量實驗證明，等量的干冰在空氣中完全升華成氣體二氧化碳需要的時間比在水中長，那產生的白霧少是正常現象.

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是奶白色，再將干冰放入水中和油中進行對比實驗，可以看到油面上沒有白霧”，從而得到了結論“二氧化碳氣泡在達到水面之前，內部就已經形成了白霧”.實驗中干冰在水中升華快，水中氣泡運動也非常快，作者“看到”水中氣泡是“奶白色”就能得到“氣泡內是白霧”這個結論了嗎？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比實驗只能證明產生“白霧”的“初始物質”來自水中.

第三處：“大量干冰放入水中”能產生大量白霧，“一段時間后”“底部干冰已經被冰塊包裹著，沒有再出現少量干冰實驗中的大量奶白色氣泡”“側面證明干冰升華產生的二氧化碳使水霧化”.文中用了兩處對比：“大量干冰放入水中時”與“一段時間后”對比，和“一段時間后被冰包裹著的干冰”與“少量干冰”對比.“被冰包裹著的干冰”升華慢，水中氣泡運動的也慢了一些，不是“奶白色”不能得出文中的結論.

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”時采用下面的實驗證明流程.

2 優化實驗探究方案

2.1 實驗一：杯口“白霧”是不是空氣中水蒸氣液化形成的

實驗: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種不同的物質漂在水面上

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

結論:在水面上方水蒸氣含量相同的情況下，產生“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:產生“白霧”的初始物質有沒有可能是來自于杯內的水中呢？

2.2 實驗二：杯口“白霧”的初始物質來自哪里

實驗:在兩個相同的杯內分別倒入溫度相同、等量的煤油和水，將等量的干冰放入兩個杯中，如圖2所示.

圖2 杯內分別為等溫等量的水和煤油時的比較實驗

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

結論:水杯杯口的“白霧”主要來自于杯內的水中.

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，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 實驗三：杯口“白霧”的形成不是液化現象

實驗:在兩個相同的杯內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).

現象:干冰直接投放到水中后(圖3左)，干冰升華產生的氣泡是白色的(主要成分是二氧化碳氣體和液態小水珠)，并且在杯口出現大量的“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氣體和少量的液態小水珠)，杯口只出現少量的“白霧”.

圖3 干冰直接放入水中與包裹放入水中的比較實驗

結論:這一實驗表明，杯口的“白霧”并不是水蒸氣液化形成的，而是“霧化”形成的，即是液態水先被“擊碎”成小水珠然后被氣泡帶出水面，它不屬于物態變化現象.

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.根據超聲波霧化器原理——利用超聲能量使液體形成微細霧滴，其霧化方式為：處于振動表面的薄液層在超聲振動作用下激起“毛細——重力波”，當振動面的振動幅度達到一定值時液滴即從駐波峰上飛出而成霧[2].當干冰放入溫水后迅速升華成二氧化碳氣體，二氧化碳氣體在釋放的過程中產生劇烈振蕩，把干冰表面的水“擊碎”形成小水珠儲存在二氧化碳氣泡里，即圖3(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.