理論上,為什麼水的凝固過程和冰的融化過程能保持溫度不變,而不是降溫或公升溫?

時間 2021-06-20 23:10:48

1樓:

這個結論(水凝固和冰融化溫度不變)不是絕對的,是有前提(即使是理論上)的:

1)冰是晶體;

2)過程是可逆的或者說熱力學漸進平衡的。

首先來看第一條,晶體。為什麼晶體的熔點是固定的呢?

我們知道,溫度實際上是物體分子熱運動的劇烈程度。當晶體從外界吸收熱量時,其內部分子、原子的平均動能增大,溫度也開始公升高,但並不破壞其空間點陣,仍保持有規則排列。繼續吸熱達到一定的溫度──熔點時,其分子、原子運動的劇烈程度可以破壞其有規則的排列,空間點陣也開始解體,於是晶體開始變成液體。

在晶體從固體向液體的轉化過程中,吸收的熱量用來一部分一部分地破壞晶體的空間點陣,所以固液混合物的溫度並不公升高。[百科]

第二條,過程是可逆的,其實百科裡面的例子已經隱含著這條了。過程可逆什麼意思呢,就是說,冰水混合物是處在乙個熱力學平衡當中,任意時刻都有同等數量的水分子脫離晶體的規則點陣變成液態水和液態水規則排列起來變成晶體冰,當整個冰水混合物從外界獲得一點點能量的時候,它使得同一時間冰變成水的數量超過了水變成冰的數量,在巨集觀上就表現出來冰在融化。在整個過程中,液態水的水分子的平均動能和晶體冰的平均振動能都沒有發生,巨集觀上就表現出二者的溫度維持不變。

發生變化的只是出於規則排列的水分子(晶體冰)和處於隨機運動的水分子(液態水)的比例而已。

上面兩條已經說明了,理論上為什麼水凝固和冰熔化的過程中溫度保持不變。不過本著追根究底的知乎精神,順便再回答一下你老婆可能追問的兩個問題:

那為什麼冰吸收熱量達到一定溫度後以後要變成水,而不是溫度繼續公升高呢?

這是因為熱力學第三定律告訴我們,系統傾向於保持自身熵最大。我們知道熵是系統混亂度的度量,而晶體由於其規則排列所以相對而言熵是比較小的,當持續從外界獲取熱量的時候,系統的熵也隨之增加,剛開始的時候通過增加晶格振動可以體現這部分熵增,到一定程度就必須變成水才能反映出這部分熵增了。

翻譯成社會科學的語言就是:人都是追求自由的,人之所以三點一線(晶體冰),僅僅是因為沒錢(溫度不夠高),當他有了錢之後(輸入能量),他就開始環遊世界了(變成液態水)!

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