對一道關(guān)于熔化熱與汽化熱的中考選擇題的再討論

嚴(yán)慶 邵云

摘 要：本文對一道中考選擇題中的兩個(gè)選項(xiàng)：“用冰袋給病人降溫”和“用手沾些冷水去拿熱包子不會太燙”的確切原因進(jìn)行了剖析。通過聯(lián)系實(shí)際與定量計(jì)算，指出前者主要是因?yàn)楸刍鼰幔欢笳邉t要看具體過程，可能是水升溫吸熱，也可能是水汽化吸熱，但總體是因?yàn)樗鼰帷?/p>

關(guān)鍵詞：比熱容；熔化；蒸發(fā)；熔化熱；汽化熱

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）9-0043-3

熔化熱是指在一定的壓強(qiáng)下，單位質(zhì)量（或一摩爾）的晶體在熔化時(shí)變成同溫度的液態(tài)物質(zhì)所需吸收的熱量。汽化熱是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，使單位質(zhì)量（或一摩爾）的物質(zhì)在一定溫度下蒸發(fā)所需要的熱量。汽化熱與汽化時(shí)的溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)汽化熱減小。在新課標(biāo)中，熔化與汽化過程仍是考查的知識點(diǎn)，但熔化熱與汽化熱的大小已被刪掉，這給師生在需要定量計(jì)算才能確切理解某些物理現(xiàn)象時(shí)造成一定的困擾。下面筆者以一道南京中考題為例，運(yùn)用熔化熱、汽化熱與比熱容進(jìn)行過程分析與定量計(jì)算，嘗試解決關(guān)于該題的一些爭議。

這是一道單選題，原參考答案是選項(xiàng)C，但一些物理教師對選項(xiàng)A和B產(chǎn)生了爭議，題目是這樣表述的：

下列對生活中一些現(xiàn)象的解釋錯(cuò)誤的是（ ）

A.用冰袋能給高熱病人降溫，是因?yàn)楸刍鼰?/p>

B.用手沾些冷水去拿熱包子不會太燙，是因?yàn)樗鼰?/p>

C.在寒冷的北方不用水銀溫度計(jì)測量氣溫，是因?yàn)樗y的凝固點(diǎn)較低

D.舞臺上用干冰能制造白霧，是因?yàn)楦杀A吸熱使水蒸氣液化

1 選項(xiàng)A的內(nèi)容是正確的

對于選項(xiàng)A，有觀點(diǎn)[1]指出：用冰袋冷敷之所以能夠?yàn)楦邿岵∪私禍?，其原因只是由于冰袋的溫度低于高熱病人的體溫而已，而不是冰熔化吸熱，因?yàn)槿粲帽浞髸r(shí)，冰塊并未熔化但一樣有降溫作用。

這樣解釋似乎有一定的道理。可實(shí)際上，我們在用-5 ℃的冰袋冷敷時(shí)，與病人皮膚間接接觸的部分碎冰塊會迅速升溫至0 ℃，然后便熔化吸熱。此時(shí)，整個(gè)冰袋內(nèi)的冰塊并非處于熱平衡狀態(tài)，即并非是整體升溫到0 ℃才開始熔化，實(shí)際上冰袋內(nèi)很快就有液態(tài)水出現(xiàn)。這些間接接觸的冰塊先后進(jìn)行了吸熱升溫、熔化吸熱、水吸熱升溫這三個(gè)階段，具體吸收熱量如何，我們可作如下簡單的比較。

冰和水的比熱容分別約為2.1×103 J/（kg·℃）和4.2×103 J/（kg·℃），冰的熔化熱約為3.36×105 J/（kg·℃）。1 kg的冰從0 ℃熔化成0 ℃的水需要吸收3.36×105 J的熱量，這些熱量可供相同質(zhì)量的水升高80 ℃或冰升高160 ℃。醫(yī)院所用的醫(yī)用冰塊最初溫度一般是-18 ℃，而當(dāng)冰袋內(nèi)的水升溫至10 ℃左右時(shí)就必須更換新的冰袋[2]。可見，冰塊熔化所吸收的熱量要比另兩個(gè)過程的總和大得多，因此冰熔化吸熱在冰袋給病人降溫的過程中將起主要作用。所以，選項(xiàng)A的內(nèi)容是正確的。文獻(xiàn)[1]可能是認(rèn)為冰袋內(nèi)是一整塊冰，同時(shí)升溫，同時(shí)熔化。即便如此，在給病人冷敷降溫的整個(gè)實(shí)際過程中，冰的熔化吸熱也是起著主導(dǎo)作用。

說到這里，不得不提及常規(guī)的物理科學(xué)方法——理想化方法。所謂理想化方法是指基于邏輯推理，根據(jù)所研究問題（一般都是涉及諸多因素的復(fù)雜問題）的需要和具體情況，有意識地突出研究對象的主要和本質(zhì)因素，排除次要、非本質(zhì)以及無關(guān)因素的干擾，從而簡明扼要地揭示物理現(xiàn)象本質(zhì)的方法。對于選項(xiàng)A，用冰袋能給高熱病人降溫是因?yàn)楸刍鼰?，這種解釋完全符合該科學(xué)方法。文獻(xiàn)[1]的觀點(diǎn)有點(diǎn)以偏概全。

2 選項(xiàng)B的內(nèi)容基本正確

對于選項(xiàng)B，文獻(xiàn)[1]認(rèn)為用手拿熱包子時(shí)沾些冷水可以防燙，是由于水具有較大的比熱容，導(dǎo)致可以大量吸熱而緩慢升溫的緣故，而不是水汽化吸熱的緣故，故認(rèn)為B選項(xiàng)內(nèi)容不正確。筆者認(rèn)為這與題意的表述存在一定的歧義有關(guān)。

筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)手沾上冷水去拿剛出籠的第一只包子時(shí)，雖然水的比熱容較大，但由于手上沾水的質(zhì)量大概只有1～2 g，接觸面處的水會通過熱傳導(dǎo)迅速升溫，大約不到1秒鐘就會升到燙手的溫度！此過程手與包子的接觸面處的水很難蒸發(fā)，主要是通過熱傳導(dǎo)來吸熱。因此，如果只考慮迅速拿一只包子，選項(xiàng)B的內(nèi)容無疑是不準(zhǔn)確的。但生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們：手沾一次冷水可以接二連三地取4～5只包子（后文將此過程表述為一個(gè)循環(huán)過程）！然后，人們才會去第二次沾冷水。而在你連續(xù)取包子時(shí)，當(dāng)你放下第一只包子后，水的汽化吸熱將起重要作用！它可以幫助我們的手及手上的水迅速降溫，這樣你就能較“舒服”地去拿第二只包子。如此反復(fù)四五次拿放過程后，你會發(fā)現(xiàn)手與包子接觸面處的水基本已汽化完畢，于是你的手需要再次沾水。當(dāng)然，如果你動作夠快，每次沾水可以多拿幾只包子。由此可見，如果考慮到一次沾水實(shí)際要拿好幾只包子的話，手掌上水分的蒸發(fā)對于手掌皮膚降溫將有著重大的貢獻(xiàn)。因此，選項(xiàng)B的表述又變得正確了。

可能不少人會認(rèn)為手掌上水的汽化會很慢，更不可能在較短的時(shí)間內(nèi)汽化完。這其實(shí)是我們的生活經(jīng)驗(yàn)所帶來的誤解。誠然，在屋內(nèi)，茶杯里的水蒸發(fā)確實(shí)很慢很慢，全部汽化需要很長的時(shí)間。為什么呢？因?yàn)閺奈⒂^上看，在蒸發(fā)過程中，水分子一方面從液面跑出，另一方面，水蒸氣分子又被空氣分子給撞回水中，因此凈蒸發(fā)的數(shù)量實(shí)際是上述兩種相反過程相抵后的剩余部分，也就是跑出水面的水分子數(shù)減去撞回來的水分子數(shù)。雖然水面上方是敞開的，但由于水面上方的空氣靜止或流動緩慢，單位時(shí)間內(nèi)跑出水面的分子數(shù)幾乎等于返回水中的分子數(shù)，因此宏觀上水分蒸發(fā)十分緩慢。這時(shí)液面上方有一層薄薄的近似飽和的蒸汽，厚度在10-9 m量級[3]，它阻止著水分的蒸發(fā)進(jìn)程。然而，當(dāng)我們放下一只包子去拿下一只時(shí)，手是運(yùn)動著的，即手掌上的水面與周圍空氣之間存在相對運(yùn)動，該水面面積（相對）很大且附近并不會出現(xiàn)一層飽和蒸汽，加之水的溫度也不低，這些都促使手掌上的水分迅速蒸發(fā)，帶走大量的熱量。

這里我們可以估算一下在一個(gè)循環(huán)過程中水汽化吸熱與水升溫吸熱兩者之間的大小關(guān)系。冷水吸熱后的溫度大約在50 ℃左右（拿第一只包子后的溫度），通過查表知在50 ℃時(shí)水的汽化熱為2.382×106 J/kg，水的比熱容是4.2×103 J/（kg·℃），可見1 kg水完全汽化所吸收的熱量可讓相同質(zhì)量的水升高500多度。通過分析可知，手掌上的冷水通過熱傳導(dǎo)吸熱只是在拿第一只包子時(shí)對保護(hù)手掌皮膚起了作用，而在一個(gè)循環(huán)過程中接下來的吸熱任務(wù)則終究是交給了水的汽化。因此，選項(xiàng)B即“沾水防燙是因?yàn)槠鼰岬脑颉边@個(gè)命題基本是正確的。

另外，如果選項(xiàng)B的意思是沾冷水后拿熱包子在手上吃，那么我們的手指和手掌就會本能地調(diào)換拿捏位置，充分利用水分的迅速蒸發(fā)帶走大量熱量，讓手掌和手指快速降溫。若如此，則選項(xiàng)B的表述更是正確的了。

由于選項(xiàng)B對過程的表述不是十分明確，到底是沾水后拿一只包子？還是一個(gè)循環(huán)過程即拿四五只包子？還是攥著包子在手上吃？這將導(dǎo)致師生對該選項(xiàng)的理解不一，解答不一。筆者根據(jù)常識，傾向于認(rèn)為沾水防燙是針對一次沾水拿四五只包子。而且從以上分析來看，汽化吸熱對于防燙是起主要作用的。選項(xiàng)B能抓住事物的主要矛盾，直擊物理本質(zhì)，并且和選項(xiàng)A的熔化形成對應(yīng)，從選擇題的角度上講應(yīng)沒有太大問題，沒有必要吹毛求疵。當(dāng)然，該選項(xiàng)交待得不夠嚴(yán)謹(jǐn)也是事實(shí)，其中一些約定俗成的表述未能準(zhǔn)確地表達(dá)題意，留下一點(diǎn)缺憾，當(dāng)引以為戒。

3 結(jié) 語

綜上所述，利用熔化熱與汽化熱的大小可以定量地剖析一些似是而非的問題，給出正確、可信的答案。但如果教材中沒有給出它們的大小，這些概念將會變得十分模糊，從而使學(xué)生甚至教師丟掉這方面的物理素養(yǎng)，甚是可惜。筆者建議初中物理課本可以在適當(dāng)版塊添上冰的熔化熱與水的汽化熱數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，如蘇科版教材可放在第二章《物態(tài)變化》后的“信息庫”欄目中，讓師生加深對此相關(guān)內(nèi)容的了解與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建廉.冰袋降溫究竟應(yīng)如何解釋——兼談初中物理習(xí)題命制及初中物理教學(xué)中的幾個(gè)問題[J].物理之友，2014，30（6）：7-11.

[2]吉曉劍，許新梅，相偉龍，等.改良冰袋在急診高熱患者的臨床應(yīng)用[J].中國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)，2017（11）：47-48.

[3]李椿.熱學(xué)2版[M].北京：高等教育出版社，2008：267.