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一升0度的水與一升100度的水相融,會是兩升50度的水?答案當然不是
2021/09/17
2021/09/17

正妹小萌新帶你回味你想回味的,讓你看你想看的。

大家肯定都思考過下面的這個問題吧~

如果現在你很渴,但身邊只有一升0度的冰水和一升100度的開水,怎麼辦?將兩升水兌在一起,是不是能夠得到兩升可以喝的50度的水了?

當然不是,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,而且喝燙水對于食道和胃都不太友好。其次,我們所得到的水並不是兩升。第三,兌在一起的水也並不是50度。

這是不是有些違背常識呢?因為在常識中,我們會將這個問題看做是一個簡單的數學問題,而數學問題通常是理想化的。但在現實中,這是一個物理問題,所以必須綜合考慮幾個因素,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,但這是物理老師告訴我們的資料,之所以使用這樣一個固定的資料,是為了在考試的時候更加方便,否則出題者就要明確寫出水的溫度,這就有些過于麻煩了。

在現實之中,水的密度是不斷變化的,在3.98攝氏度的時候,水的密度是最大的,而隨著水溫的不斷升高,密度會逐漸降低。

為什麼溫度對于水的密度會有影響呢?這就要從溫度的本質說起了。什麼是溫度呢?溫度就是運動。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,即便是一塊看起來紋絲不動的石頭,它內部的分子也沒有一刻停歇,區別只在于運動的快慢而已。

物質內部的分子運動速度越快,那麼這個物質的溫度就越高,反之運動速度越慢,物質所呈現出來的溫度就越低,如果一個物質內部的分子完全靜止,那麼這個物質就會呈現為絕對零度,也就是零下273.15攝氏度。

溫度越高,物質內部的分子運動速度就越快,而水是由水分子所組成的,溫度越高,水分子的運動速度就越快,而運動速度越快,分子之間的空隙就越大,所以密度也就越低,因此隨著溫度的升高,水的密度就會下降。

所以在相同質量下,溫度越高的水,體積就越大。既然如此,為什麼溫度更低的冰比水的體積更大呢?這就是另外一個問題了,因為水結冰時,分子會締合在一起形成一個巨大的締合分子,而冰中的水分子結構是每一個氧原子都有四個氫原子作為緊鄰的四面體結構,這樣一種敞開式的結構使得空隙增大,所以冰相比水而言,體積自然也就更大了。不過我們無需考慮冰的問題,這裡所說的只是0攝氏度的水。在你的印象中,0攝氏度代表著冰水混合物,但實際上既有0度的冰,也有0度的水。

0度的水如果想要變成0度的冰,還需要釋放一點熱量,反之,0度的冰如果想要變成0度的水,則需要吸收一點熱量。

現在我們明白了不同溫度的水的密度為什麼不同,那麼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,所以將二者融合之後,我們就會得到1958.2g的水。有了水的質量,要想知道最終水的體積和溫度,我們還需要考慮另一個因素,就是水的比熱容。

什麼是比熱容呢?比熱容指的就是一千克質量的水升高或降低1度時吸收或放出的熱量。由于水含有很強的氫鍵,而氫鍵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候會吸收大量的熱量,而降溫的時候會釋放巨大的熱量,這就是我們平時要給食物加熱可以泡熱水,而給食物降溫可以泡冷水的原因。

和密度相同,比熱容也會隨著溫度的變化而變化,不過它的變化幅度並不是很大,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。

接下來,我們就可以根據能量守恆定律來計算最終的數字了,本著「如無必要,勿增公式」的科普原則,我們就不列舉計算過程了,而是直接給出計算結果。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,這些水的總重量為1958.2g。對于我們而言,一升0度的水和一升100度的水融合後是否會得到兩升50度的水並沒有實際意義,而且最終的結果其實也和兩升50度的水差不太多,權且當做對物理知識的一次有趣探討。

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