生活中不知大家是否有将两种不同温度的水混在一起的经历,当将温度较高的水倒进盛有温度较低的水的器皿中,混合得到的水的温度会介于混合前两种水的温度之间。如果是将较低温度的水倒入盛有较高温度的水的器皿里,也是同理。这种方法常用来降低水温或升高水温,适应范围广,使用频率也较高。
对于这一简单的生活现象,不知大家是否思考过一个问题:如果是将1000毫升100摄氏度的开水与1000毫升0摄氏度的水混合,会得到2000毫升50摄氏度的水吗?刚看到这个问题,很多朋友或许有些疑惑,从物体熔沸点的角度来看,当水的温度低至零摄氏度的时候,水不是会结成冰?同样地,当温度达到100摄氏度时,水不是会由液态转变为气态?两种状态不同的事物如何能混为一体?
需要注意的是,0摄氏度与100摄氏度的确是水状态发生变化的临界点。不过,当温度刚好等于0摄氏度时,水的液相与固相是共存的。此时,如果想使水的状态由液态转变为固态,还需释放大量热量。如果温度没能持续降低,水其实是保持原本的液体状态而不会转变成固态,因为0摄氏度是临界温度而非突破温度。
同理,当温度刚好等于100摄氏度时,水的液相与气相也是共存的。如果想令液态水转变为气态水,那么还需吸收一定热量,温度需继续上升。若非,水可能保持原本状态。因此,1000毫升100摄氏度的水能与1000毫升0摄氏度的水混合。
那么,混合之后得到的水的温度是多少呢?很多人或许会不假思索地回答到,50摄氏度!但其实,结果并没有那么简单,并不是两个数值相加再取平均,因为温度变化还受密度、比热容等物理量的影响,它不是简单加减乘除便能得到的数值。
根据物理知识,在地球气压下,当水的温度为4℃时,它的密度最大,为1000千克/立方米。那么,当水的温度分别为0摄氏度和100摄氏度时,水的密度是多少呢?经计算,前者的密度是999.84千克/立方米,后者是958.37千克/立方米。所以,在体积同为1升的情况下,根据公式p=mv可知,两者的质量相差41.47克。也就是说,当体积都为1升时,0摄氏度的水比100摄氏度的水重41.47克。
另外,在温度变化的过程中,水的比热容也在发生变化。根据规律可知,当温度从0摄氏度上升至100摄氏度时,水的比热容先下降而后上升。具体地说,温度从0摄氏度上升至50摄氏度的过程中,水的比热容不断减小,约在50摄氏度时达到最小值。之后,随着温度的升高,在从50摄氏度升高至100摄氏度的过程中,水的比热容不断增大。
根据公式c·m1·(100-t)=c·m2·(t-0)(c为比热容)进行计算,混合1升1000摄氏度的水与1升0摄氏度的水,最终得到的温度是48.94摄氏度,结果略小于50摄氏度。
通过这个简单的小计算,我们可知,许多看似简单的物理现象其实并不简单,最终所获得的结果可能也与我们的想象不相符。所以,在日常生活中,我们还是需要多思考勤动手,不可全靠猜想解答问题。你觉得呢?