解释中学物理中的两个热现象

陈宇恒

摘要：在学习物理的过程中，会遭遇两类热现象，对我们的学习活动造成一定的困扰和阻碍。对于这两个问题，在日常学习中也广泛的进行了讨论，得出了多个层面不一样的见解。基于此，本文就针对物理中的两个特殊热现象进行了分析论述，探究了其具体成因，期望可以解答学生学习物理的部分疑惑。

关键词：物理 热现象 成因

在物理学中，有两个较为特殊的热现象，一是液滴呈现球状，二是在0℃到4℃范围内水的体积会随着温度的升高不断减小。这两个热现象和学生日常所了解到的物理学常识存在一定的背离，给学生造成了学习上的困扰。因此，需要有效彻底的解决这两个热现象，找出其背后的原因所在，这样才能正确认识这两个热现象及其背后所涵盖的物理学知识。

一、液滴球状的探析

在真空无重力的状态下，一滴水的状态是完美的球状，即便是在有重力的状态下，液滴依然是以球状的状态呈现出来。从物理学常识的角度来看，液滴是有水分子构成的，其不具备固定的形态，在外部重力的作用下，应该呈现出平面状或是其他状态。但是实际上，液滴受到的重力影响似乎很有限，违背了物理常识始终保持着球状状态。对于这样一个现象，若是不能对其合理解释，那么学生在学习物理的过程中必然会产生困惑。

从微观的角度来看，液体的表面实际上是一个具有一定厚度的表面层，其厚度有分子的有效作用半径r决定。而分子之间同时存在引力和斥力，并且随着分子距离的变化而对应变化。但是根据实际研究，斥力要在极小的距离范围内才会产生作用，几乎可以认为分子实现接触才会产生明显的斥力，因此可以认为液体表面层除极表面外斥力为零。斥力为零，那么分子間自然只受到引力的作用。而引力又和分子间距等有关，通过实验得出分子之间的引力距离是大于液体表面层间距的，那么就可以得到下图所示的液滴受力示意图。从图中可以看出，分子之间的引力都是指向液滴的内部，这就使得表面水分子在引力作用下表现出了内趋的态势，进而在宏观层面表现为液体表面产生收缩，表面积最小化。同等体积下表面积最小的形态就是球体，因此液滴呈现出球体状态。

二、0℃到4℃水的反常膨胀

水也遵循热胀冷缩的基本原理，这也是一般物体所满足的物理规律。但是，通过研究证明，水在0℃到4℃这个温度区间内，会产生异样的“热缩冷胀”现象，这和传统的物理规律出现了违背。对于这一现象，我们需要了解以下几个事实。

（一）0℃的冰和0℃的水

在0℃的时候，水可以呈现为液相和固相两种形态，液相就是水，固相就是冰。这两种不同的形态，使水本身的一些性质也产生了变化。其中，密度是最为引人关注的。在0℃环境下，冰融化成为水，密度会增大。这是因为固相的冰在分子结构上排列较为规则有序，水分子彼此衔接成为镂空结构，中间存在很大的空隙，因此密度较轻。而在融化成为水之后，分子之间的衔接形式产生了变化，水分子自身的热振动破坏了氢键，原先的镂空结构逐渐转化为水分子基团，原本存在的空隙也被水分子基团所占据，因此单位密度就增大了。根据相关的研究表面，固相的冰在融化成为液相的水时，大约有15%的氢键被破坏了，因此在密度上产生了显著的增大。

（二）0℃到4℃加热过程的密度变化

热胀冷缩这一原理的核心在于稳定变化，而温度是影响分子热运动的核心因素。温度越高，分子的热运动也就越剧烈，进而会增大分子之间的间距，从而增加物质的体积。温度越低，分子的热运动就比较弱，分子之间的间距会有一定的缩减，进而表现出物质体积变小的现象。对于水而言，在0℃到4℃温度区间对其进行加热时，随着温度的缓慢升高，水分子的热运动也会逐渐激烈，进一步破坏存留的氢键。氢键的进一步破坏使得依靠氢键聚集在一起的水分子基团出现瓦解，开始出现单个的水分子。这里就需要注意了，单个水分子的出现，其具备高度的灵活性，在热运动下可以存在于任何位置，包括了尚未破坏的镂空水分子结构当中。

在整个加热过程中，一方面，氢键断裂使得水分子排列更加紧密，消除了固相状态下存在的镂空结构和空隙，这就使得水的密度增大。同时，单个分子的出现会增加分子嵌入镂空结构的可能，填补了存在的空隙，进一步增大了水的密度。但是在另一个方面，温度的升高加强了水分子的热运动，热运动的增强会拉大分子间距，从而减小水的密度。在这两个方面的共同影响下，水在0℃到4℃范围内最终表现出了热缩冷胀的特点，说明增大密度方面的因素作用更加明显，压过了减小密度这方面因素的作用。

三、结语

在中学物理上出现了两个反常热现象，其虽然违背了常规的物理常识，但是依然可以得到科学的解释。在学习物理的过程中，遇到这些违背常理的现象不能手足无措，要静下心来对其仔细展开分析，运用所学的物理知识和理论分析这些热现象产生的实质，得出合理的答案。

参考文献：

[1]何翠芹.解释中学物理中的两个热现象[J].新课程（初中版），2006，（03）.

（作者单位：长沙市南雅中学）