蒹葭蒼蒼，白露為霜——物態(tài)變化

蒹葭蒼蒼，白露為霜——物態(tài)變化

作者：祝磊

《詩經(jīng)》中有一首詩名為《蒹葭》，開頭兩句是“蒹葭蒼蒼，白露為霜”。意思是說蘆葦長得茂盛，露水結(jié)成了霜?！肚ё治摹分杏小霸乞v致雨，露結(jié)為霜”，說的也是露水結(jié)成了霜。
如果從物理學(xué)的角度看，露水是水，霜是冰，液態(tài)的水結(jié)成固態(tài)的冰就是凝固現(xiàn)象。

●六種物態(tài)變化

物態(tài)變化是物質(zhì)在各種狀態(tài)之間的變化，凝固現(xiàn)象是物態(tài)變化的一種。物質(zhì)常見的狀態(tài)包括氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài) 3 種。而物質(zhì)不常見的狀態(tài)還有超固態(tài)、等離子態(tài)、中子態(tài)等，這些超出了普通物理的范 圍，我們這里就不講了。

這里我們只討論氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài) 3 種狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。從數(shù)學(xué)的角度看，它們的排列組合有 6 種可能。

1.氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，這叫液化；

2.氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這叫凝華；

3.液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，這叫汽化；

4.液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這叫凝固；

5.固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，這叫升華；

6.固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，這叫熔化。

在物理世界里，這 6 種物態(tài)變化都是存在的。

霜是怎么來的？

比如剛才我們說的露水，初中物理教材上說露水是“空氣中的水蒸氣遇冷凝結(jié)成的小水滴”，這就是說露水是水蒸氣液化形成的。

初中物理教材上還說“我國北方秋、冬兩季，有時(shí)地面和屋頂會出現(xiàn)霜……這些都是凝華現(xiàn)象”，這就是說霜是水蒸氣直接變成固態(tài)冰而形成的。

看到這兒，你有沒有感覺奇怪？開頭的詩歌中說露水凝固成霜， 現(xiàn)在又說水蒸氣凝華成霜。

凝固還是凝華？一字之差，大有不同！霜到底是露水變的，還是水蒸氣變的？

從邏輯上講，霜既可以由露水變成，也可以由水蒸氣變成，兩者并不矛盾。

在實(shí)際的物理世界里，我們看到的露水一般是球形水珠，附著在植物葉子上。如果夜晚溫度降低，露水凍成冰，變成“凍露”，形狀還是球形。而我們通常見到的霜是一種冰晶，形狀是扁平的，接近雪花。

所以，我們認(rèn)為，霜不是由露水凝固形成的，而是由空氣中的水蒸氣在環(huán)境溫度降到冰點(diǎn)以下凝華而成。

露水形成是因?yàn)榭諝庵兴魵膺_(dá)到飽和，也就是空氣再也容不下 這么多水蒸氣了，水蒸氣就轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水。空氣溫度越低，空氣能夠 容納的水蒸氣越少，所以露水也是在氣溫降低后出現(xiàn)。但是這個(gè)溫度 要比結(jié)霜的溫度高，這個(gè)溫度叫作露點(diǎn)。

溫度指什么

我們把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度定為 0 攝氏度，沸水的溫度定為 100 攝氏度，而中間均勻分為 100 份，每份代表 1 攝氏度。按這個(gè)規(guī)定，冰的熔點(diǎn)是 0 攝氏度，水的沸點(diǎn)是 100 攝氏度。

這里“攝氏”指的是攝爾修斯，他是瑞典天文學(xué)家，在 1742 年提出將標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度定為 100 攝氏度，沸水的溫度定為 0 攝氏度。在他提出這個(gè)方案之后，大家用起來覺得別扭，就把他的方案顛倒了一下，便變成了今天這樣的規(guī)定。

除了攝氏溫度，還有華氏溫度，這是德國人華倫海特在 1724 年提出的。他將標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度定為 32 華氏度，沸水的溫度定為 212 華氏度，中間等分為 180 份，每一份代表 1 華氏度。美國常用華氏溫度而不用攝氏溫度。

所以，很容易就得出華氏溫度和攝氏溫度的換算關(guān)系：

華氏溫度 =（9/5 )攝氏溫度 +32

在物理研究中，通常用開氏溫度。這是開爾文勛爵在 1848 年提出的，理論根據(jù)是熱力學(xué)第二定律。開氏溫度跟攝氏溫度的換算關(guān)系是：

開氏溫度 = 攝氏溫度 +273.15

那么，開氏溫度跟華氏溫度的換算關(guān)系是怎樣的呢？小朋友們可以算一算。

溫度影響物質(zhì)的狀態(tài)

我們發(fā)現(xiàn)溫度跟物質(zhì)的狀態(tài)直接相關(guān)。溫度高的時(shí)候，水是液態(tài)或者氣態(tài)；溫度低的時(shí)候，水變成固態(tài)。這是為什么呢？

我們知道，溫度表示的是物質(zhì)的冷熱程度，這是宏觀的表現(xiàn)。在微觀上，溫度代表物質(zhì)內(nèi)部分子的運(yùn)動劇烈程度。溫度越高，分子運(yùn) 動越快；溫度越低，分子運(yùn)動越慢。

固體能夠保持固定的形狀，液體能夠流動，氣體能夠自由擴(kuò)散， 沒有一定的形狀。這都跟分子在不同溫度下的運(yùn)動速度有關(guān)。當(dāng)溫度 足夠高時(shí)，常見的固體物質(zhì)都會液化、汽化。比如金屬鎢，熔點(diǎn)超過3400 攝氏度，是熔點(diǎn)最高的金屬，其沸點(diǎn)超過 5900 攝氏度。

反過來，當(dāng)溫度足夠低時(shí)，物質(zhì)都可能液化乃至固化。比如氦氣，常溫下是氣態(tài)，空氣里就有很少量的氦氣存在。當(dāng)溫度低到 -268.9 攝氏度時(shí)，氦氣就轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。氦氣是地球上最難液化的氣體。如果 要把氦氣轉(zhuǎn)化為固態(tài)，則需要把溫度繼續(xù)降低到 -272.2 攝氏度，而且需要對它加壓才行。

那么，溫度還能繼續(xù)降低嗎？低溫有個(gè)極限，叫作絕對零度，就是 -273.15 攝氏度。理論上，達(dá)到這個(gè)溫度時(shí)，分子運(yùn)動就停止了。

再往下降溫？不能想象了……

對此有興趣的小朋友， 可以去查一下熱力學(xué)第三定律的相關(guān)內(nèi)容。

那么，溫度能無限升高嗎？

劃 重 點(diǎn)

1.物質(zhì)常見的 3 種狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)）的相互轉(zhuǎn)化包括 6 種物態(tài)變化：液化和汽化，凝固和熔化，升華和凝華。在相同的壓強(qiáng)下，這些變化的主要影響因素是溫度。

2.3 種溫度單位：攝氏度、華氏度和開氏度。

3.對“露結(jié)為霜”的分析。霜是由水蒸氣凝華而成， 而不是由露水凝固而成。

本文節(jié)選自《給孩子的物理啟蒙課》（祝磊 著，中國婦女出版社，2022）