爲什麽熱水比冷水結冰快?
--------這就是答案!
物質在不同的條件下會呈現出不同的存在形態,基本上會有固體、液體、氣體以及等離子體等多種外在表現形式。在不同的存在形態下，物質的物理和化學性質也有所不同，物質在不同的存在形態間相互轉換時會伴隨著能量的吸收和釋放。
熱能是能量的表現形式之一，其運動規律是從高溫物體或區域向低溫物體或區域傳遞，最後達到近乎一致的溫度，所以只要存在溫度差，就會産生熱能的傳遞，其實質是分子、原子和自由電子的運動引起的，對外表現爲溫度的不同。當溫度變化時，物質分子或原子的排列順序和排列方式以及自由電子的運動狀態也隨著變化。
熱能的傳遞方式主要有蒸發、傳導、對流和輻射，其中傳導是最基本的熱傳遞形式。蒸發是液體通過汽化方式進行散熱，在氣體和液體中比較劇烈的傳導會形成對流，這會加速熱能的傳遞速度。而輻射是高溫物體的能量傳遞形式，通過向外界發出射線來傳遞能量。 應該注意到的是水在結冰的過程中，在不同的溫度下，水的物理和化學性質發生了顯著的變化，這些變化涉及到了水分子間的化學鍵能，這種影響遠遠大于傳導對結冰快慢的影響。水在4℃時密度最大，這時水分子間結合的最緊密，分子間的鍵能也最大。當水溫小于或大于4℃時，體積會膨脹變大，水分子間距也變大了，這個過程要消耗能量，對外做功，體積膨脹。熱水已經完成了體積膨脹的過程，密度較小，已經滿足了結冰時的分子間距要求，所以要克服的分子間鍵能的阻力比冷水小，這些因素會加快熱水的凍結速度，這是影響冷熱水結冰快慢的主要因素之一。
在研究熱水結冰比冷水快這個問題時，涉及到的相關因素有很多，例如：制冷溫度和制冷方式、冷熱水的初始溫度、盛水容器的材質、形狀、大小以及水的純度等，其它影響熱能傳導快慢的因素還有溫差、接觸面積的大小以及結晶冰核的産生等，初始溫度越高，蒸發速度越快；溫差越大熱傳遞速度越快；接觸面積越大，熱交換的速度也越快；有冰核則可以加快結冰速度。在相同的制冷條件下，熱水比冷水的初始溫度高，蒸發速度比冷水快，在相同時間內熱水比冷水散熱多；熱水比冷水的溫差大，傳熱速度快；在接觸面處，熱水上方會比冷水上方形成更多的水蒸氣，這些水蒸氣會凝結成小冰晶落回到熱水中，這些小冰晶的表面積增大了熱水的能量傳導接觸面積，從而加快了熱交換速度，而且這些小冰晶也提供了很好的結晶所需的冰核，這些都會加快熱水的結冰速度。但最主要的因素還是對流，由于劇烈的熱交換會在熱水中形成湍流，從而導致了熱水中熱傳導的不均勻性，形成了冷區與熱區的分離，産生了較大的溫差，這更加劇了熱水中的對流，同時使熱水的冷區中更快地形成結冰，由于對流的上下運動形式，會形成從水面向下的錐狀結冰，這同時又增大了熱能的傳導接觸面積，也使得熱水表面不易形成冰蓋，從而保證熱傳導速度不會降低，而當冷水表面形成冰蓋後，其內部還沒有結冰的冷水要繼續結冰，所要克服的由于體積膨脹而産生的水分子間的勢能阻力也會增大，從而減緩了冷水結冰的速度。由于熱水結冰時熱傳導的不均勻性，導致熱水結出的冰晶比冷水的更不規則，這從冰晶的外觀上就可以觀察到。
綜上所述，主要有兩個因素起了決定性的作用：
一是熱傳導時對流的劇烈程度不同和由此引起的熱能傳導接觸面積大小的改變。 二是由于體積的大小變化所産生的結冰阻力大小的不同。
通過下面的實驗可以進一步確定以上兩點中哪一點更爲重要。
實驗裝置如下圖：
在上述裝置環境下進行冷熱水結冰實驗，其主要制冷因素變爲傳導，蒸發對散熱的影響減弱了，劇烈的對流基本沒有了，從下部開始向上結冰，結冰時由于體積膨脹所産生的阻力也減少了。這時，如果還是熱水先結冰，說明這時影響結冰快慢的主要因素是阻礙體積膨脹的分子間的鍵能；如果冷水先結冰了，說明熱水比冷水先結冰的主要因素是強烈的對流所産生的結果。
黃 偉
2012年7月29日于哈爾濱
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作者：黃偉
電話：0086-0451-84504655
E-mail: [email protected]
郵政編碼: 150016
下面是通信地址：
中國黑龍江省
哈爾濱市道裏區安升街36號1單元503室
爲什麽熱水比冷水結冰快?
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物質在不同的條件下會呈現出不同的存在形態,基本上會有固體、液體、氣體以及等離子體等多種外在表現形式。在不同的存在形態下，物質的物理和化學性質也有所不同，物質在不同的存在形態間相互轉換時會伴隨著能量的吸收和釋放。
熱能是能量的表現形式之一，其運動規律是從高溫物體或區域向低溫物體或區域傳遞，最後達到近乎一致的溫度，所以只要存在溫度差，就會産生熱能的傳遞，其實質是分子、原子和自由電子的運動引起的，對外表現爲溫度的不同。當溫度變化時，物質分子或原子的排列順序和排列方式以及自由電子的運動狀態也隨著變化。
熱能的傳遞方式主要有蒸發、傳導、對流和輻射，其中傳導是最基本的熱傳遞形式。蒸發是液體通過汽化方式進行散熱，在氣體和液體中比較劇烈的傳導會形成對流，這會加速熱能的傳遞速度。而輻射是高溫物體的能量傳遞形式，通過向外界發出射線來傳遞能量。 應該注意到的是水在結冰的過程中，在不同的溫度下，水的物理和化學性質發生了顯著的變化，這些變化涉及到了水分子間的化學鍵能，這種影響遠遠大于傳導對結冰快慢的影響。水在4℃時密度最大，這時水分子間結合的最緊密，分子間的鍵能也最大。當水溫小于或大于4℃時，體積會膨脹變大，水分子間距也變大了，這個過程要消耗能量，對外做功，體積膨脹。熱水已經完成了體積膨脹的過程，密度較小，已經滿足了結冰時的分子間距要求，所以要克服的分子間鍵能的阻力比冷水小，這些因素會加快熱水的凍結速度，這是影響冷熱水結冰快慢的主要因素之一。
在研究熱水結冰比冷水快這個問題時，涉及到的相關因素有很多，例如：制冷溫度和制冷方式、冷熱水的初始溫度、盛水容器的材質、形狀、大小以及水的純度等，其它影響熱能傳導快慢的因素還有溫差、接觸面積的大小以及結晶冰核的産生等，初始溫度越高，蒸發速度越快；溫差越大熱傳遞速度越快；接觸面積越大，熱交換的速度也越快；有冰核則可以加快結冰速度。在相同的制冷條件下，熱水比冷水的初始溫度高，蒸發速度比冷水快，在相同時間內熱水比冷水散熱多；熱水比冷水的溫差大，傳熱速度快；在接觸面處，熱水上方會比冷水上方形成更多的水蒸氣，這些水蒸氣會凝結成小冰晶落回到熱水中，這些小冰晶的表面積增大了熱水的能量傳導接觸面積，從而加快了熱交換速度，而且這些小冰晶也提供了很好的結晶所需的冰核，這些都會加快熱水的結冰速度。但最主要的因素還是對流，由于劇烈的熱交換會在熱水中形成湍流，從而導致了熱水中熱傳導的不均勻性，形成了冷區與熱區的分離，産生了較大的溫差，這更加劇了熱水中的對流，同時使熱水的冷區中更快地形成結冰，由于對流的上下運動形式，會形成從水面向下的錐狀結冰，這同時又增大了熱能的傳導接觸面積，也使得熱水表面不易形成冰蓋，從而保證熱傳導速度不會降低，而當冷水表面形成冰蓋後，其內部還沒有結冰的冷水要繼續結冰，所要克服的由于體積膨脹而産生的水分子間的勢能阻力也會增大，從而減緩了冷水結冰的速度。由于熱水結冰時熱傳導的不均勻性，導致熱水結出的冰晶比冷水的更不規則，這從冰晶的外觀上就可以觀察到。
綜上所述，主要有兩個因素起了決定性的作用：
一是熱傳導時對流的劇烈程度不同和由此引起的熱能傳導接觸面積大小的改變。 二是由于體積的大小變化所産生的結冰阻力大小的不同。
通過下面的實驗可以進一步確定以上兩點中哪一點更爲重要。
實驗裝置如下圖：
在上述裝置環境下進行冷熱水結冰實驗，其主要制冷因素變爲傳導，蒸發對散熱的影響減弱了，劇烈的對流基本沒有了，從下部開始向上結冰，結冰時由于體積膨脹所産生的阻力也減少了。這時，如果還是熱水先結冰，說明這時影響結冰快慢的主要因素是阻礙體積膨脹的分子間的鍵能；如果冷水先結冰了，說明熱水比冷水先結冰的主要因素是強烈的對流所産生的結果。
黃 偉
2012年7月29日于哈爾濱
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