物態(tài)變化與人工造“雪”

張軍

實驗視頻

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不知不覺間，2021年已經(jīng)到了尾聲，冬天又來了。每到冬季，大家肯定都非常期盼下雪，因為下雪不僅代表著可以堆雪人、打雪仗，還預示著快過年了......

下雪的背后究竟藏著什么科學原理？我們能不能在家里自己造一場“雪”？今天，我們就來體驗一下宅在家都能玩“雪”的樂趣！

看不見的分子

物態(tài)變化是自然界最常見的現(xiàn)象之一，每時每刻都在我們身邊發(fā)生。以水為例，它不停地在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)這3種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化，我們見到的冰、露、霜、雪、霧等，都是水的化身。水蒸氣也是水的化身，但是我們的肉眼看不到，我們只能看到由水蒸氣變成的液態(tài)或固態(tài)。

自然界所有物體都是由大量分子構(gòu)成的。2500萬個人手拉手可以繞地球赤道一周，而2500萬個分子挨在一起排隊，長度只有1厘米。1標準大氣壓下，手指頭大的容器里，可容納約2.7×1019個氣體分子。假設讓這些氣體分子從容器中跑出來，1秒跑出1億個，需要9000年才能跑完。如果每秒數(shù)出100億個，要數(shù)80年。如果手指頭大的容器里裝的是水，大約有3.3×1022個水分子，把它們平均灑在地球表面，每平方厘米有6000多個水分子。現(xiàn)在我們知道分子是多么小了，肉眼根本看不見。

分子間有空隙。我們會發(fā)現(xiàn)，吹足氣的氣球放置幾天就會變癟，原因就是氣球內(nèi)的氣體分子從組成氣球皮的分子間隙跑掉了。打足氣的自行車放置一段時間，輪胎就會變癟，這也是同樣的道理。如果我們可以將自己變得像原子那樣小，或者像質(zhì)子、中子那樣小，就可以毫不費力地穿過所有障礙物了。

固、液、氣的神奇變化

組成物質(zhì)的分子在永不停息地做無規(guī)則運動，溫度越高，分子無規(guī)則運動越劇烈。分子間既有引力又有斥力，引力和斥力的大小與分子間距離有關。

一般來說，固體的分子間距離較小，分子間的引力和斥力都比較大，這就導致分子只能在平衡位置上做無規(guī)則的振動。就像正在上課的學生，可以在自己座位上翻書、做筆記、調(diào)整坐姿，但是不能隨便“下位”。這就能讓固體維持一定的體積和形狀。當我們給固體加熱時，或者說當固體吸熱時，組成它的分子的無規(guī)則運動會加劇，分子的振動空間會變大。當分子間距離拉開，宏觀上就表現(xiàn)為物體的體積增大。如果吸熱足夠多，無規(guī)則運動的分子就可以擺脫周圍分子的約束，能“下位”溜達了，這在宏觀上就表現(xiàn)為物體能流動起來，固態(tài)就變成液態(tài)了，即發(fā)生了熔化。反之，如果我們將液體壓縮，或者降溫，又可以讓液態(tài)重新變?yōu)楣虘B(tài)，這就是凝固。

液體表面的分子相對于內(nèi)部的分子受到的約束少，在做無規(guī)則運動時，有可能脫離群體跑到空氣中去，這就是蒸發(fā)。蒸發(fā)總是發(fā)生在液體表面的，而且任何溫度下都會有分子“開小差”跑掉——也就是說，蒸發(fā)在任何溫度下都能發(fā)生。我們洗過手會晾干，洗過的衣服會晾干，地上的積水也會晾干，都是因為水蒸發(fā)了。如果環(huán)境溫度高，水分子能獲得更多的能量，就更有可能脫離其他分子的約束。所以，我們?nèi)绻胱対褚路焖僮兏蓵r，會將衣服晾在陽光下。當然，還要把衣服盡量展開，能放風口更好——表面積越大，表面空氣流速越大，水蒸發(fā)得越快。水蒸發(fā)時，需要從周圍吸收熱量，因此可以起到降溫的作用。夏天，我們在地面灑水來降低環(huán)境溫度，就是利用了這個原理。

相同條件下，酒精蒸發(fā)得更快。我們在溫度計的玻璃泡上噴些酒精，會迅速聞到刺激性氣味，這是因為酒精蒸發(fā)，酒精分子彌漫在空間里的緣故。由于蒸發(fā)吸熱，我們會觀察到溫度計的示數(shù)迅速下降。當酒精蒸發(fā)完畢，溫度計示數(shù)又會慢慢上升，回到室溫。

由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，我們稱之為汽化。汽化有兩種方式，除了蒸發(fā)，還有沸騰。沸騰在液體表面和內(nèi)部同時進行，內(nèi)部的水蒸氣爭先恐后地往水面上升，導致水花翻滾，同時發(fā)出響聲。沸騰需要兩個條件：一是溫度達到沸點，二是能持續(xù)吸熱。沸點受氣壓影響，當水面氣壓減小，水的沸點會降低;當水面氣壓增大，水的沸點會升高。用高壓鍋可以增大水面氣壓，從而提高水的沸點，這樣食物就容易變熟。

我們在家燒水時，會看到水面冒“白氣”。這種“白氣”其實不是氣體，而是高溫的水蒸氣遇冷變成的小水珠，這個過程我們稱之為液化。拿起鍋蓋，我們會看到鍋蓋上的水滴，這也是水蒸氣液化而來的。等到鍋蓋的溫度升到一定程度，液化就不再發(fā)生了，因為與水蒸氣的溫度差太小了。冬天我們有時往手上哈氣給手取暖，手感覺暖和的同時，還會有濕濕的感覺，這是因為呼出的溫度較高的水蒸氣遇到溫度較低的手，放出熱量，液化成了小水珠。

固態(tài)和氣態(tài)之間也可以直接轉(zhuǎn)化。為了防蛀，我們會在衣柜或書櫥里放上樟腦丸。我們可以嗅到樟腦丸散發(fā)出的刺激性氣味——它由固態(tài)直接變成了氣態(tài)。這種物態(tài)變化叫作升華，需要吸熱。它的逆過程是凝華，需要放熱。白熾燈的燈絲是金屬鎢制作的，通電時鎢絲發(fā)光，因為受熱，部分鎢的分子從鎢絲上“逃逸”，變成了鎢蒸氣，升華就發(fā)生了。但是，這時鎢絲并沒有熔化，也就是說，升華的溫度是低于熔點的。燈滅了后，溫度下降，鎢蒸氣便放出熱量，發(fā)生凝華——在溫度較低的燈泡內(nèi)壁聚集，變成鎢粉，重新回到固態(tài)。因此，白熾燈使用時間長了以后，燈泡便會變黑，內(nèi)壁上的一層薄薄的鎢粉影響了透明度。同時，燈絲越來越細，也會讓功率下降。日光燈管變黑也是同樣的原因。

你留意過這些冬季現(xiàn)象嗎

氣溫很低的冬季，洗過的衣服晾在外面會變硬，這是因為水凝固了。但是，冰凍的衣服也會變干，因為冰發(fā)生了升華，直接變成了水蒸氣。哈爾濱在冬季會舉辦冰雕節(jié)，那些冰雕會一天天變小，也是因為升華的緣故。冬天我們堆雪人，氣溫在0°C以下，雪不會熔化，但是雪人一天天變小，這也是因為雪發(fā)生了升華。

因為日照，空氣中的水蒸氣白天溫度較高，夜晚環(huán)境溫度下降，水蒸氣對外放熱。當溫度差不是很大時，可能發(fā)生液化現(xiàn)象，草葉上的露珠、浮在空中的霧就是這么形成的。如果氣溫驟降，導致溫差很大，水蒸氣則會發(fā)生凝華，地面上的霜和高空的雪都是這樣形成的?！八袄?，雪后寒”，說的就是霜現(xiàn)象發(fā)生之前會有一個氣溫驟降的過程，而下完雪之后，不論雪發(fā)生熔化還是升華，都需要吸熱，導致氣溫降低。

冬天房間里溫度高，而窗玻璃溫度低，房間里溫度較高的水蒸氣就會在玻璃的內(nèi)表面發(fā)生液化，導致玻璃內(nèi)表面上起霧;或者發(fā)生凝華，導致玻璃內(nèi)表面上出現(xiàn)一層冰花。冰花、雪花、霜花都是水蒸氣凝華成的晶體，形狀規(guī)則，所以稱之為“花”。而在夏天，開空調(diào)的房間溫度低，室外水蒸氣溫度較高，水蒸氣會在玻璃外表面發(fā)生液化。坐公交車時，有時發(fā)現(xiàn)窗戶玻璃上也會出現(xiàn)白霧或冰花，它們一定出現(xiàn)在溫度高的那一側(cè)。

人工造“雪”的實驗

我們可以利用樟腦丸，來做一個人工造“雪”的實驗，實驗過程中一定要注意安全。

找個錐形瓶或者玻璃杯、試管、玻璃瓶，其他透明的、防燙的容器也行。將樟腦丸包在紙里，用錘子或者鉗子將樟腦丸粉碎，然后將粉末倒入容器底部。在容器里吊掛些布條，或者小樹枝、棉線等，再將容器加熱。加熱方式有很多，可以用酒精燈火焰、蠟燭火焰加熱，或者將容器底部放進開水中。一兩分鐘后，停止加熱。如果加熱溫度比較高，我們可以觀察到容器中出現(xiàn)液態(tài)物質(zhì)，這是樟腦丸的熔化現(xiàn)象。不需要達到這么高的溫度，樟腦丸就會升華。

停止加熱后，靜待容器冷卻，你會看到容器內(nèi)壁出現(xiàn)細小的樟腦丸晶體，就像一片片雪花。此時將小樹枝、布條、棉線等從容器中取出，你就可以仔細觀察附著在上面的“雪花”了。