對(duì)液體冷卻快慢的研究報(bào)告

1、對(duì)液體冷卻快慢的研究報(bào)告作 者：珠海市前山中學(xué) 黃 春指導(dǎo)教師：珠海市前山中學(xué) 熊志權(quán)問題的提出：在前山中學(xué)讀高中時(shí)，由于離校很遠(yuǎn)，我們幾個(gè)同學(xué)寄宿在學(xué)校里，當(dāng)時(shí)天氣炎熱，我們常常利用學(xué)校食堂里的冰柜凍牛奶喝，我們幾個(gè)通常是將飲用開水沖入牛奶粉然后放進(jìn)冰箱的急凍室，由于我們的食堂老板對(duì)學(xué)生特別好，班上很多同學(xué)都來制所謂的“冰淇淋”解熱，因而在有限的時(shí)間內(nèi)要力爭(zhēng)獲得冰箱里的空間，因此我們的動(dòng)作都是非常的快。一天中午我來遲了一點(diǎn)，我從熱水瓶中倒出開水焦急地等水冷卻，我決定冒著弄壞冰箱的危險(xiǎn)把還燙的牛奶放入冰箱（因?yàn)槲覀兊奈锢砝蠋熢?jīng)叮囑我們制凍奶要自然冷卻后才可放入冰箱，否則有大量的電能損耗或使冰

2、箱損壞。）下午兩節(jié)課以后，我和另一個(gè)同學(xué)跑回來，發(fā)現(xiàn)我杯中的奶已凍結(jié)成冰塊，而他的卻還是稠稠的液體。況且我杯中牛奶的體積并不比他的少！開始我還以為我拿錯(cuò)了杯子，但我卻深深地記得我的杯子是印的一只大大的熊貓的標(biāo)志，冰箱里是獨(dú)一無二的。我問我的物理教師為什么會(huì)這樣？即為什么熱牛奶先凍？他給我的回答是：“你沒有弄錯(cuò)吧？能再重復(fù)一下實(shí)驗(yàn)得出這個(gè)結(jié)論嗎？”實(shí)驗(yàn)重復(fù)了一次又一次，結(jié)果還是如此！我們都不得其解，包括我們的物理老師！以后，學(xué)校食堂的冰箱便成了我們?cè)囼?yàn)裝置，進(jìn)一步大量的試驗(yàn)證實(shí)了我的說法，同時(shí)我們也認(rèn)為這些實(shí)驗(yàn)給我們指出了解釋這一現(xiàn)象的途徑。盡管我們以前都沒有聽說過這件事，也無從找到有關(guān)的參考資

3、料，但我們相信，自然界中存在的一些規(guī)律，專門研究物理學(xué)的老師也可能遇到危險(xiǎn)，但同時(shí)也對(duì)物理教師和熱愛學(xué)習(xí)物理的同學(xué)提供了一個(gè)感興趣的問題。初步研究：但這個(gè)問題究競(jìng)是怎么回事？由于對(duì)這一簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)所提出的問題感到迷惑，這時(shí)全校的研究性課程在轟轟烈烈地開展，物理老師索性把我們把這個(gè)問題列為高中年級(jí)的研究性課題。我當(dāng)然是課題組組長(zhǎng)了。實(shí)驗(yàn)用的裝置是在直徑差不多是4.5厘米，容積為120毫升的硼硅酸玻璃燒杯內(nèi)盛水作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并讓其在家用冷凍冰箱里凍結(jié)起來（其外部有透明的玻璃便于觀察結(jié)果）。燒杯放置在2厘米厚的一級(jí)福樂斯板上（一種良好的保溫材料，我叔叔就是這種產(chǎn)品的推銷員），并不與冰箱壁相互接觸，觀察

4、到的實(shí)驗(yàn)事實(shí)是：1. 如果將溫度不同其它狀態(tài)（體積、容器形狀、同一保溫材料）相同的水同時(shí)放入冰箱中相互隔開一定的距離形成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，那么其結(jié)論是熱水首先凍結(jié)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：第一次試驗(yàn)第一次試驗(yàn)第一次試驗(yàn)初始溫度（C）205020502050液體體積 (ml)252540407070凍結(jié)時(shí)間(min)10279146123194167初始溫度t開始凍結(jié)時(shí)間（分）圖1 開始凍結(jié)時(shí)間相對(duì)物初始溫度的曲線2. 根據(jù)多次試驗(yàn)得出質(zhì)量為60ml的水開始凍結(jié)時(shí)間對(duì)初始溫度的圖線形狀如圖一所示：初紿溫度（C）凍結(jié)時(shí)間(min)第1次10135第2 次20148第3次30156第4次40140第5次5015

5、0第6次60135第7次70124第8次801103. 物理老師建議我們的試驗(yàn)在水中加注一滴食用油，則在水的表面有一層油膜，則凍結(jié)時(shí)間會(huì)推遲數(shù)小時(shí)，該事實(shí)表示，如果沒有這層油膜，大部分熱量是從液體上表面散發(fā)的。試驗(yàn)次數(shù)體積(ml)液體表面干凈時(shí)的冷卻時(shí)間（min）液體表面有一層油膜時(shí)的冷卻時(shí)間(min)1201362112401532503601752684801922814. 不同體積在同種初始溫度下的水開始凍結(jié)的時(shí)間不相同，隨著體積的增加時(shí)間也增加。第1 次第2次第3次第4次體積（ml）20406080時(shí)間（min）1091501811995. 在液體當(dāng)中有溫度梯度存在，即不同的液面高度有

6、不同的溫度值6. 考慮到溶解在水中的空氣和雜質(zhì)可能是一種因素，所以我們采用永隆公司的純凈水并且使其沸騰過做實(shí)驗(yàn)，從而這一因素也已排除。7. 考慮不同的容器對(duì)水的冷卻有一定的影響，我們分別采用了陶瓷杯、木制容器、鐵制容器、一次性塑料杯和紙杯進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，這些都不對(duì)我們的結(jié)論構(gòu)成影響，只影響凍結(jié)的速度。陶瓷杯木制容器鐵制容器塑料杯紙 杯凍結(jié)時(shí)間（min）7786405058備注：初溫和質(zhì)量相同。但沒有考慮盛水容器形狀對(duì)冷卻的影響進(jìn)一步研究：在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，我們還對(duì)同一冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了不同液體層面的溫度研究和測(cè)量，得出了一個(gè)重要結(jié)論：液體在冷卻進(jìn)程中不是保持同一溫度的，不同的液面層上的不同的溫度！即

7、存在溫度的梯度。這可能是解釋這一現(xiàn)象的重要依據(jù)！溫度時(shí)間圖2 初溫為90攝氏度的水的冷卻率實(shí)線表示液體底部附近溫度虛線表示液體液面附近溫度我們根據(jù)所測(cè)量的溫度值描繪出了水的表面和內(nèi)部之間的溫度變化規(guī)律。圖2是從90攝氏度起的溫度相對(duì)時(shí)間的冷卻曲線，其中虛線代表液體表面的溫度，實(shí)線代表底部附近的溫度，如液體的起始溫度低則兩曲線之間分得很小時(shí)間（min）內(nèi)部溫度表面溫度12071C72C24058C60C36049C51C48034C38C510025C29C612010C15C71401C4C 試驗(yàn)結(jié)論：1. 冷卻主要在于液面。冷卻率決定于液體的表面溫度而不是平均實(shí)體的溫度。液體內(nèi)部的對(duì)流使得液

8、面溫度比內(nèi)部高并且即使兩杯液體冷卻到相同的平均溫度原來熱的系統(tǒng)的熱量損失仍然在比原來冷的系統(tǒng)大，一個(gè)物理工作者看到關(guān)于這個(gè)原來熱的液體先凍結(jié)的報(bào)告感到驚奇是自然的。因?yàn)橐后w在過渡在凍結(jié)之前必須經(jīng)過一系列的過渡溫度。2. 冷卻系統(tǒng)存在溫度梯度。但是問題的實(shí)質(zhì)在于單用一個(gè)溫度來描述一個(gè)系統(tǒng)是不夠的，因?yàn)樗€取決于初始溫度和溫度梯度。上面提到由于對(duì)流造成液體內(nèi)部的溫度梯度，并且始終維存液面溫度高，從而造成熱量主要從液面散發(fā)的解釋不能說是完美的。它只是一個(gè)試探性或暫時(shí)的解釋，所作的實(shí)驗(yàn)也仍是粗糙的。此外可能還有一些因素影響著冷卻率，因而更確切，肯定的解釋有待于更加精細(xì)和嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。3. 汽化不是解釋這

9、一現(xiàn)象的主要因素。在物理老師的指導(dǎo)下我們查閱了資料知道汽化只引起微小的體積變化，溫度差報(bào)引起的汽化潛熱不能引起超過3的冷卻，因而不能認(rèn)為是具有高的初始溫度的系統(tǒng)快速凍結(jié)的原因。一點(diǎn)思考：關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的隨意討論與研使我們想到了另一種現(xiàn)象：在發(fā)生冰凍的日子里熱水管將比冷水管先凍，可惜，這一現(xiàn)象在南方的環(huán)境中是無法用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種說法是否正確，最后，我們熱情歡迎對(duì)此問題的感興趣的同學(xué)來加入我們的研究行列并且能提供更多的信息和科學(xué)的解釋。我們可以說說：冷卻速率總有可能受到我還沒有考慮的因素的影響。指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：這個(gè)事實(shí)足可使人感到驚訝，是因?yàn)樗鼈兛瓷先ヅc我們所熟悉的物理相矛盾。其實(shí)日常生活中發(fā)生的事并不象表面看上去那樣簡(jiǎn)單！這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)我的學(xué)生并不是第一個(gè)，早在上個(gè)世紀(jì)30年代，美國(guó)一個(gè)叫姆潘巴的小男孩便提出了這個(gè)問題，在當(dāng)時(shí)對(duì)權(quán)威物理學(xué)家也產(chǎn)生了一定的沖