复冰现象实验解析

作者: Shiny & Tom

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-03-08 14:40:52

本文介绍了复冰现象的实验过程及其原理,通过具体实验展示了冰柱在压力作用下的特殊融化与再凝固现象,并结合热力学理论解释了压强增大导致熔点降低的机制。

大家好,我是冰块,我有个好朋友叫可乐。熟悉柯南的朋友们应该知道,我的作用不亚于正经玩里的所标杯。比如《无人能破的冰之陷阱》中,俺就发挥了巨大作用。今天就给大家重现一下‘案发现场’,也许下一个名侦探就是你哦~

实验器材包括所标杯、剪刀、胶布、纸杯、尼龙绳(或其他抗拉能力强的细绳)、重物。实验过程为先用剪刀将两个纸杯剪开,再用胶布粘接牢固,形成一个半圆柱形的容器。在容器内加入水,进入冰箱冷冻一段时间,待水凝固成冰后取出。将冰柱放在两个板凳之间,然后在尼龙绳的两端绑在重物上,整体挂在冰柱上。一段时间后,尼龙绳已经嵌入冰柱内部,约2小时后,尼龙绳完整地穿过了冰柱,但神奇的是冰柱并没有被割断。

这次的实验现象被称为复冰现象。通常的解释为,由于细线上悬挂着重物,所以,细线会对冰柱产生很大的压强,从而使冰的熔点下降,进而使冰柱与细线接触的部分发生融化。这时,细线会因为其下方的冰柱融化,逐渐向下移动,而其上方融化的部分,会因为压强消失,熔点提高,重新结冰,即复冰。因此,细线会慢慢地穿过冰柱,但是冰柱不会被切断。

在热力学中,冰融化涉及两相平衡的问题。

冰水两相共存时,他们的温度、压强以及化学势是相等的。由这些条件,可以推出克拉珀龙(Clapeyron)方程。方程的左边描述了两相平衡时,压强变化与温度变化之间的关系,也就是三相图中曲线的斜率。方程的右边,分子上的L表示冰转变为水时需要吸收的热量,而分母中的T表示融化时的绝对温度,也是正的。

分母中剩下的部分表示冰融化时的体积变化,从冰块浮在可乐中可以知道,水变成冰时体积是膨胀的,因此这里的体积变化是负的。综合三项的正负可以知道,方程的右边是负的。这就意味着,冰水两相平衡时,压强增加,温度会降低。也就是压强越大,熔点越低。

小编还查阅了相关的资料,发现了一些更有意思的事情。小编查到,在一个标准大气压下,冰的熔点随压强的变化关系是:压强每增加一个标准大气压,熔点降低约0.0075K。

实验中,重物的质量为3.5kg,冰柱直径6cm,细线直径约为0.5mm。可以估算出,细线对冰柱的压强约为:这样一来,熔点只降低了0.075K。从结果上看,小编产生了很多疑惑,熔点的变化这么小真的就能使冰发生融化吗?在东北零下20度的环境中这个实验还能做成功吗?滑冰用冰刀也是因为复冰现象吗?这都有待进一步地研究探讨。

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