假如如今你很渴,但身邊只有一升0度的冷水和一升100度的沸水,如何辦?將兩升水兌在一起,是不是就能得到兩升可以喝的50度的水了?
其實不是,首先,50度的水也是入不了口的,別說50度,就是40度,入口也有點燙,并且喝燙水對于氣管和胃都不太友好。其次,我們所得到的水并不是兩升。第三,兌在一起的水也并不是50度。
這是不是有些違反常識呢?由于在常識中,我們會將這個問題看做是一個簡單的物理問題,而物理問題一般是理想化的。但在現實中,這是一個數學問題,所以必須綜合考慮幾個誘因,第一就是水的密度,第二是水的比熱容。水的密度不是1000g/L嗎?是的,但這是數學老師告訴我們的數據,之所以使用這樣一個固定的數據,是為了在考試的時侯愈加便捷,否則出題者就要明晰寫出水的體溫,這就有些過分麻煩了。
在現實之中,水的密度是不斷變化的,在3.98攝氏度的時侯水的密度和溫度的關系,水的密度是最大的,而隨著溫度的不斷下降,密度會漸漸減少。
為何體溫對于水的密度會有影響呢?這就要從室溫的本質說起了。哪些是氣溫呢?氣溫就是運動。世界上的一切物質都是由分子和原子所構成的,而分子和原子時時刻刻都處于運動之中,雖然是一塊看上去紋絲不動的石頭,它內部的分子也沒有一刻停息,區別只在于運動的快慢而已。
物質內部的分子運動速率越快,這么這個物質的濕度就越高,反之運動速率越慢,物質所呈現下來的氣溫就越低,假若一個物質內部的分子完全靜止,這么這個物質都會呈現為絕對零度,也就是零下273.15攝氏度。
室溫越高,物質內部的分子運動速率就越快,而水是由水份子所組成的,氣溫越高,水份子的運動速率就越快,而運動速率越快,分子之間的縫隙就越大,所以密度也就越低,因而隨著氣溫的下降,水的密度都會增長。
所以在相同質量下,氣溫越高的水,容積就越大。既然這么,為何體溫更低的冰比水的容積更大呢?這就是另外一個問題了,由于水結冰時,分子會締合在一起產生一個巨大的締合分子,而冰中的水份子結構是每一個氧原子都有四個氫原子作為鄰近的多面體結構,這樣一種敞開式的結構促使縫隙減小,所以冰相比水而言,容積自然也就更大了。不過我們無需考慮冰的問題,這兒所說的只是0攝氏度的水。在你的印象中,0攝氏度代表著冷水混和物,但實際上既有0度的冰,也有0度的水。
0度的水假如想要弄成0度的冰,還須要釋放一點熱量水的密度和溫度的關系,反之,0度的冰假如想要弄成0度的水,則須要吸收一點熱量。
如今我們明白了不同水溫的水的密度為何不同,這么0度的水和100度的水的密度分別為多少呢?0度水的密度是999.84g/L,而100度水的密度為958.36g/L,所以將兩者融合以后,我們都會得到1958.2g的水。有了水的質量,要想曉得最終水的容積和濕度,我們還須要考慮另一個誘因,就是水的比熱容。
哪些是比熱容呢?比熱容指的就是一千克質量的水下降或增加1度時吸收或放出的熱量。因為水富含很強的官能團,而官能團在加熱室會吸收大量的熱量,所以水的比熱容是比較大的,也就是說水升溫的時侯會吸收大量的熱量,而降溫的時侯會釋放巨大的熱量,這就是我們平常要給食物加熱可以泡冷水,而給食物降溫可以泡冰水的誘因。
和密度相同,比熱容也會隨著氣溫的變化而變化,不過它的變化幅度并不是很大,0攝氏度的水的比熱容是4.216,而100攝氏度的水的比熱容為4.212。
接出來,我們就可以按照能量守恒定理來估算最終的數字了,本著“如無必要,勿增公式”的科普原則,我們就不列出估算過程了,而是直接給出估算結果。最終的結果是,一升0攝氏度的水與一升100攝氏度的水相融合,最終會得到約1.99升的48.6攝氏度的水,這種水的總重量為1958.2g。對于我們而言,一升0度的水和一升100度的水融合后是否會得到兩升50度的水并沒有實際意義,但是最終的結果顯然也和兩升50度的水差不太多,故此當作對化學知識的一次有趣闡述吧,假如你有不同的見解,歡迎討論。