解釋中學(xué)物理中的兩個(gè)熱現(xiàn)象

陳宇恒

摘要：在學(xué)習(xí)物理的過程中，會(huì)遭遇兩類熱現(xiàn)象，對我們的學(xué)習(xí)活動(dòng)造成一定的困擾和阻礙。對于這兩個(gè)問題，在日常學(xué)習(xí)中也廣泛的進(jìn)行了討論，得出了多個(gè)層面不一樣的見解?；诖?，本文就針對物理中的兩個(gè)特殊熱現(xiàn)象進(jìn)行了分析論述，探究了其具體成因，期望可以解答學(xué)生學(xué)習(xí)物理的部分疑惑。

關(guān)鍵詞：物理 熱現(xiàn)象 成因

在物理學(xué)中，有兩個(gè)較為特殊的熱現(xiàn)象，一是液滴呈現(xiàn)球狀，二是在0℃到4℃范圍內(nèi)水的體積會(huì)隨著溫度的升高不斷減小。這兩個(gè)熱現(xiàn)象和學(xué)生日常所了解到的物理學(xué)常識存在一定的背離，給學(xué)生造成了學(xué)習(xí)上的困擾。因此，需要有效徹底的解決這兩個(gè)熱現(xiàn)象，找出其背后的原因所在，這樣才能正確認(rèn)識這兩個(gè)熱現(xiàn)象及其背后所涵蓋的物理學(xué)知識。

一、液滴球狀的探析

在真空無重力的狀態(tài)下，一滴水的狀態(tài)是完美的球狀，即便是在有重力的狀態(tài)下，液滴依然是以球狀的狀態(tài)呈現(xiàn)出來。從物理學(xué)常識的角度來看，液滴是有水分子構(gòu)成的，其不具備固定的形態(tài)，在外部重力的作用下，應(yīng)該呈現(xiàn)出平面狀或是其他狀態(tài)。但是實(shí)際上，液滴受到的重力影響似乎很有限，違背了物理常識始終保持著球狀狀態(tài)。對于這樣一個(gè)現(xiàn)象，若是不能對其合理解釋，那么學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中必然會(huì)產(chǎn)生困惑。

從微觀的角度來看，液體的表面實(shí)際上是一個(gè)具有一定厚度的表面層，其厚度有分子的有效作用半徑r決定。而分子之間同時(shí)存在引力和斥力，并且隨著分子距離的變化而對應(yīng)變化。但是根據(jù)實(shí)際研究，斥力要在極小的距離范圍內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生作用，幾乎可以認(rèn)為分子實(shí)現(xiàn)接觸才會(huì)產(chǎn)生明顯的斥力，因此可以認(rèn)為液體表面層除極表面外斥力為零。斥力為零，那么分子間自然只受到引力的作用。而引力又和分子間距等有關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)得出分子之間的引力距離是大于液體表面層間距的，那么就可以得到下圖所示的液滴受力示意圖。從圖中可以看出，分子之間的引力都是指向液滴的內(nèi)部，這就使得表面水分子在引力作用下表現(xiàn)出了內(nèi)趨的態(tài)勢，進(jìn)而在宏觀層面表現(xiàn)為液體表面產(chǎn)生收縮，表面積最小化。同等體積下表面積最小的形態(tài)就是球體，因此液滴呈現(xiàn)出球體狀態(tài)。

二、0℃到4℃水的反常膨脹

水也遵循熱脹冷縮的基本原理，這也是一般物體所滿足的物理規(guī)律。但是，通過研究證明，水在0℃到4℃這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生異樣的“熱縮冷脹”現(xiàn)象，這和傳統(tǒng)的物理規(guī)律出現(xiàn)了違背。對于這一現(xiàn)象，我們需要了解以下幾個(gè)事實(shí)。

（一）0℃的冰和0℃的水

在0℃的時(shí)候，水可以呈現(xiàn)為液相和固相兩種形態(tài)，液相就是水，固相就是冰。這兩種不同的形態(tài)，使水本身的一些性質(zhì)也產(chǎn)生了變化。其中，密度是最為引人關(guān)注的。在0℃環(huán)境下，冰融化成為水，密度會(huì)增大。這是因?yàn)楣滔嗟谋诜肿咏Y(jié)構(gòu)上排列較為規(guī)則有序，水分子彼此銜接成為鏤空結(jié)構(gòu)，中間存在很大的空隙，因此密度較輕。而在融化成為水之后，分子之間的銜接形式產(chǎn)生了變化，水分子自身的熱振動(dòng)破壞了氫鍵，原先的鏤空結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)化為水分子基團(tuán)，原本存在的空隙也被水分子基團(tuán)所占據(jù)，因此單位密度就增大了。根據(jù)相關(guān)的研究表面，固相的冰在融化成為液相的水時(shí)，大約有15%的氫鍵被破壞了，因此在密度上產(chǎn)生了顯著的增大。

（二）0℃到4℃加熱過程的密度變化

熱脹冷縮這一原理的核心在于穩(wěn)定變化，而溫度是影響分子熱運(yùn)動(dòng)的核心因素。溫度越高，分子的熱運(yùn)動(dòng)也就越劇烈，進(jìn)而會(huì)增大分子之間的間距，從而增加物質(zhì)的體積。溫度越低，分子的熱運(yùn)動(dòng)就比較弱，分子之間的間距會(huì)有一定的縮減，進(jìn)而表現(xiàn)出物質(zhì)體積變小的現(xiàn)象。對于水而言，在0℃到4℃溫度區(qū)間對其進(jìn)行加熱時(shí)，隨著溫度的緩慢升高，水分子的熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)逐漸激烈，進(jìn)一步破壞存留的氫鍵。氫鍵的進(jìn)一步破壞使得依靠氫鍵聚集在一起的水分子基團(tuán)出現(xiàn)瓦解，開始出現(xiàn)單個(gè)的水分子。這里就需要注意了，單個(gè)水分子的出現(xiàn)，其具備高度的靈活性，在熱運(yùn)動(dòng)下可以存在于任何位置，包括了尚未破壞的鏤空水分子結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

在整個(gè)加熱過程中，一方面，氫鍵斷裂使得水分子排列更加緊密，消除了固相狀態(tài)下存在的鏤空結(jié)構(gòu)和空隙，這就使得水的密度增大。同時(shí)，單個(gè)分子的出現(xiàn)會(huì)增加分子嵌入鏤空結(jié)構(gòu)的可能，填補(bǔ)了存在的空隙，進(jìn)一步增大了水的密度。但是在另一個(gè)方面，溫度的升高加強(qiáng)了水分子的熱運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)會(huì)拉大分子間距，從而減小水的密度。在這兩個(gè)方面的共同影響下，水在0℃到4℃范圍內(nèi)最終表現(xiàn)出了熱縮冷脹的特點(diǎn)，說明增大密度方面的因素作用更加明顯，壓過了減小密度這方面因素的作用。

三、結(jié)語

在中學(xué)物理上出現(xiàn)了兩個(gè)反常熱現(xiàn)象，其雖然違背了常規(guī)的物理常識，但是依然可以得到科學(xué)的解釋。在學(xué)習(xí)物理的過程中，遇到這些違背常理的現(xiàn)象不能手足無措，要靜下心來對其仔細(xì)展開分析，運(yùn)用所學(xué)的物理知識和理論分析這些熱現(xiàn)象產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)，得出合理的答案。

參考文獻(xiàn)：

[1]何翠芹.解釋中學(xué)物理中的兩個(gè)熱現(xiàn)象[J].新課程（初中版），2006，（03）.

（作者單位：長沙市南雅中學(xué)）