嚴慶 邵云
摘 要:本文對一道中考選擇題中的兩個選項:“用冰袋給病人降溫”和“用手沾些冷水去拿熱包子不會太燙”的確切原因進行了剖析。通過聯(lián)系實際與定量計算,指出前者主要是因為冰熔化吸熱;而后者則要看具體過程,可能是水升溫吸熱,也可能是水汽化吸熱,但總體是因為水汽化吸熱。
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 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2018)9-0043-3
熔化熱是指在一定的壓強下,單位質(zhì)量(或一摩爾)的晶體在熔化時變成同溫度的液態(tài)物質(zhì)所需吸收的熱量。汽化熱是指在標準大氣壓下,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。汽化熱與汽化時的溫度有關(guān),溫度升高時汽化熱減小。在新課標中,熔化與汽化過程仍是考查的知識點,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算才能確切理解某些物理現(xiàn)象時造成一定的困擾。下面筆者以一道南京中考題為例,運用熔化熱、汽化熱與比熱容進行過程分析與定量計算,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C,但一些物理教師對選項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)象的解釋錯誤的是( )
A.用冰袋能給高熱病人降溫,是因為冰熔化吸熱
B.用手沾些冷水去拿熱包子不會太燙,是因為水汽化吸熱
C.在寒冷的北方不用水銀溫度計測量氣溫,是因為水銀的凝固點較低
D.舞臺上用干冰能制造白霧,是因為干冰升華吸熱使水蒸氣液化
1 選項A的內(nèi)容是正確的
對于選項A,有觀點[1]指出:用冰袋冷敷之所以能夠為高熱病人降溫,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,因為若用冰袋冷敷時,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??蓪嶋H上,我們在用-5 ℃的冰袋冷敷時,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,整個冰袋內(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行了吸熱升溫、熔化吸熱、水吸熱升溫這三個階段,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 ℃左右時就必須更換新的冰袋[2]??梢?,冰塊熔化所吸收的熱量要比另兩個過程的總和大得多,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A的內(nèi)容是正確的。文獻[1]可能是認為冰袋內(nèi)是一整塊冰,同時升溫,同時熔化。即便如此,在給病人冷敷降溫的整個實際過程中,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A,用冰袋能給高熱病人降溫是因為冰熔化吸熱,這種解釋完全符合該科學(xué)方法。文獻[1]的觀點有點以偏概全。
2 選項B的內(nèi)容基本正確
對于選項B,文獻[1]認為用手拿熱包子時沾些冷水可以防燙,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,故認為B選項內(nèi)容不正確。筆者認為這與題意的表述存在一定的歧義有關(guān)。
筆者通過實驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)手沾上冷水去拿剛出籠的第一只包子時,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B的內(nèi)容無疑是不準確的。但生活經(jīng)驗告訴我們: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,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。因此,選項B的表述又變得正確了。
可能不少人會認為手掌上水的汽化會很慢,更不可能在較短的時間內(nèi)汽化完。這其實是我們的生活經(jīng)驗所帶來的誤解。誠然,在屋內(nèi),茶杯里的水蒸發(fā)確實很慢很慢,全部汽化需要很長的時間。為什么呢?因為從微觀上看,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)進程。然而,當(dāng)我們放下一只包子去拿下一只時,手是運動著的,即手掌上的水面與周圍空氣之間存在相對運動,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對保護手掌皮膚起了作用,而在一個循環(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B即“沾水防燙是因為汽化吸熱的原因”這個命題基本是正確的。
另外,如果選項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B的表述更是正確的了。
由于選項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)致師生對該選項的理解不一,解答不一。筆者根據(jù)常識,傾向于認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B能抓住事物的主要矛盾,直擊物理本質(zhì),并且和選項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,該選項交待得不夠嚴謹也是事實,其中一些約定俗成的表述未能準確地表達題意,留下一點缺憾,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:
[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.