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“为什么热水冻结速度快于冷水”——实验重复不了! 精选

已有 26518 次阅读 2012-6-29 13:47 |个人分类:科研经验|系统分类:论文交流| style, 冷水


昨天,看见“为什么热水冻结速度快于冷水”这个问题,就抢先在科学网博客公布了这个消息,自己也试着做了一下试验,看到底是不是这样的。同时各位老师在回复中各抒己见,有赞同的,也有反对的,其实大家试着做一下,这样即使实验方案不怎么合理,但是大家都试着去解决了,而不是凭着自己的想象,应该是这样,应该是那样。不管“为什么热水冻结速度快于冷水”这句话,科学不科学,试着做一做,公布自己的实验方案、结果和现象,这样,至少比在这争论要好的多。

我先说说我的预实验的情况吧,实验条件有限,同时时间紧,方案可能比较粗糙,大家轻拍,有人做了,也可以把实验方案、结果和现象公布出来,大家互相探讨探讨,科学“伪”不“伪”,试试便知。

实验材料:                      

自来水,电热水壶,制冰模具,小烧杯,温度计,冰柜

试验方法:

往制冰模具加入分别调好温度的水,每个模块加入体积基本相等,温度分别为10℃,50℃,70℃,100℃(沸水),然后立即放入-18℃的冰柜中,每隔5min,用温度计检测其温度,记录。

实验结果:

从上图中可以看出,100℃(沸水)和10℃中都有部分冰晶生成,而70℃和50℃都没有任何变化,只是温度接近于冻结点。从图中还可以看出,100℃(沸水)的体积明显少于其他组,可能是水蒸气挥发所致。

上图是随着时间的增加,初始温度不同的水温度的变化曲线,从图中可以看出,100℃(沸水)、70℃和50℃刚开始温度急剧下降,接近于30℃,但10℃的温度下降缓慢,随着时间的增加,最终,四个初始温度不同的水在40min左右,温度基本一致。

 

1)接着,又在3个小烧杯注入等体积(80mL)初始温度不同的水,分别为20℃,60℃和90℃。置于-18℃,40min后,观察现象。

如上图所示,20℃有冰晶产生,60℃和90℃没有产生冰晶。

 

2)考虑到可能体积的原因,又换成制冰模具,四周不加水,考虑到边际效应,中间四个分别等体积初始温度不同的水,分别为15℃、25℃、60℃、90℃。置于-18℃,30min后,观察现象。

如上图,15℃有冰晶形成,25℃、60℃、90℃无明显变化。

 

1、  就所做的这几个试验,不能支持为什么热水冻结速度快于冷水”。

2、  是不是试验方案的设计存在缺陷?不够合理?

3、  大家可以给些建议或意见,我看在现有实验条件下,能不能做一下看看,嘿嘿


PS:很多人对模具产生质疑,现附图片如下所示,大家看一看~


小木虫

进步一点点的回复:

佩服楼主的实践立刻性,当年碰到这个结论的时候也很好奇,简单尝试了一下,效果不好,后来就放弃了。后来仔细想了想应该是这个道理:

1.热水冻结速度比冷水快,其原理是热水具有较高的能量,大的温差导致热水和外界的热交换比较快,所以在一定的条件下比冷水先冻结。这个实验现象是有一定条件的!
2.这里就要求制冷的环境要好,保证有足够的能量交换,也就是要冷冻的快,楼主的试验用的是家用冰箱,在试验的过程中冰箱的冷冻室不一定就处在冷冻的过程中,热量交换并不是很快,就导致沸水中水分损失的比较大。原来发现这一现象的故事中讲到是在做冰淇淋的时候出现的现象,我想就是一个速冻的过程,楼主不妨打开冰箱的速冻功能试一下?
3.从楼主的降温曲线上能看出来,温度较高的液体降温的速率越快,如果环境足够冷那么就有可能出现热水先结冰的现象,不然当热水温度降到和冷水温度一致的时候,热交换岂不是等量了?这里需要注意的问题是热水和冷水在热交换是各自是一个体系过程,所以有了快慢的差别。
以上是我自己的一些想法,不保证对,仅供参考!欢迎拍砖指正!!
补充一句:换成金属容器会不会更好些?
aocheng 的回复:
这个问题也曾经困扰过我,楼主做的实验应该来说相对比较合理。其实从温度曲线图来说,应该能说明一些问题的。下面谈一下我的理解。
从温度曲线图来看,我们可以看出,其实在5min后,降温速率基本一致。这样的话,在其他条件一致的情况下,相同体积的水的话,降到零度所需时间是一致的。这样说来,热水冻结速度快于冷水,其实是个伪命题。然而,在第一个实验上,为什么会出现,沸水与10度的水优先出现冰晶呢?10度的水优先出现冰晶是很容易理解的,因为它的初始能量较低。而为什么沸水要比其他温度的水优先产生冰晶呢?(这个现象可能是得出热水冻结速度快于冷水这个伪命题的原因)首先我们要了解一点,就是产生冰晶的原因是很多的,而且比较复杂。在化学上有一个比较常用的结晶方法就是在液体里提供晶种(微小的结晶)。由于沸水挥发比较明显,而周围温度很低,这样就很容易在沸水的表面,或液体的边缘产生微小的冰晶(升华所致),这就为沸水环境提供了大量的晶种,有利于沸水快速的形成冰晶。




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