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1、对液体冷却快慢的研究报告作 者：珠海市前山中学 黄 春指导教师：珠海市前山中学 熊志权问题的提出：在前山中学读高中时，由于离校很远，我们几个同学寄宿在学校里，当时天气炎热，我们常常利用学校食堂里的冰柜冻牛奶喝，我们几个通常是将饮用开水冲入牛奶粉然后放进冰箱的急冻室，由于我们的食堂老板对学生特别好，班上很多同学都来制所谓的“冰淇淋”解热，因而在有限的时间内要力争获得冰箱里的空间，因此我们的动作都是非常的快。一天中午我来迟了一点，我从热水瓶中倒出开水焦急地等水冷却，我决定冒着弄坏冰箱的危险把还烫的牛奶放入冰箱（因为我们的物理老师曾经叮嘱我们制冻奶要自然冷却后才可放入冰箱，否则有大量的电能损耗或使冰
2、箱损坏。）下午两节课以后，我和另一个同学跑回来，发现我杯中的奶已冻结成冰块，而他的却还是稠稠的液体。况且我杯中牛奶的体积并不比他的少！开始我还以为我拿错了杯子，但我却深深地记得我的杯子是印的一只大大的熊猫的标志，冰箱里是独一无二的。我问我的物理教师为什么会这样？即为什么热牛奶先冻？他给我的回答是：“你没有弄错吧？能再重复一下实验得出这个结论吗？”实验重复了一次又一次，结果还是如此！我们都不得其解，包括我们的物理老师！以后，学校食堂的冰箱便成了我们试验装置，进一步大量的试验证实了我的说法，同时我们也认为这些实验给我们指出了解释这一现象的途径。尽管我们以前都没有听说过这件事，也无从找到有关的参考资
3、料，但我们相信，自然界中存在的一些规律，专门研究物理学的老师也可能遇到危险，但同时也对物理教师和热爱学习物理的同学提供了一个感兴趣的问题。初步研究：但这个问题究竞是怎么回事？由于对这一简单的发现所提出的问题感到迷惑，这时全校的研究性课程在轰轰烈烈地开展，物理老师索性把我们把这个问题列为高中年级的研究性课题。我当然是课题组组长了。实验用的装置是在直径差不多是4.5厘米，容积为120毫升的硼硅酸玻璃烧杯内盛水作为实验系统，并让其在家用冷冻冰箱里冻结起来（其外部有透明的玻璃便于观察结果）。烧杯放置在2厘米厚的一级福乐斯板上（一种良好的保温材料，我叔叔就是这种产品的推销员），并不与冰箱壁相互接触，观察
4、到的实验事实是：1. 如果将温度不同其它状态（体积、容器形状、同一保温材料）相同的水同时放入冰箱中相互隔开一定的距离形成一个独立的系统，那么其结论是热水首先冻结。试验数据如下：第一次试验第一次试验第一次试验初始温度（C）205020502050液体体积 (ml)252540407070冻结时间(min)10279146123194167初始温度t开始冻结时间（分）图1 开始冻结时间相对物初始温度的曲线2. 根据多次试验得出质量为60ml的水开始冻结时间对初始温度的图线形状如图一所示：初绐温度（C）冻结时间(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. 物理老师建议我们的试验在水中加注一滴食用油，则在水的表面有一层油膜，则冻结时间会推迟数小时，该事实表示，如果没有这层油膜，大部分热量是从液体上表面散发的。试验次数体积(ml)液体表面干净时的冷却时间（min）液体表面有一层油膜时的冷却时间(min)1201362112401532503601752684801922814. 不同体积在同种初始温度下的水开始冻结的时间不相同，随着体积的增加时间也增加。第1 次第2次第3次第4次体积（ml）20406080时间（min）1091501811995. 在液体当中有温度梯度存在，即不同的液面高度有
6、不同的温度值6. 考虑到溶解在水中的空气和杂质可能是一种因素，所以我们采用永隆公司的纯净水并且使其沸腾过做实验，从而这一因素也已排除。7. 考虑不同的容器对水的冷却有一定的影响，我们分别采用了陶瓷杯、木制容器、铁制容器、一次性塑料杯和纸杯进行过实验，这些都不对我们的结论构成影响，只影响冻结的速度。陶瓷杯木制容器铁制容器塑料杯纸 杯冻结时间（min）7786405058备注：初温和质量相同。但没有考虑盛水容器形状对冷却的影响进一步研究：在指导老师的指导下，我们还对同一冷却系统进行了不同液体层面的温度研究和测量，得出了一个重要结论：液体在冷却进程中不是保持同一温度的，不同的液面层上的不同的温度！即
7、存在温度的梯度。这可能是解释这一现象的重要依据！温度时间图2 初温为90摄氏度的水的冷却率实线表示液体底部附近温度虚线表示液体液面附近温度我们根据所测量的温度值描绘出了水的表面和内部之间的温度变化规律。图2是从90摄氏度起的温度相对时间的冷却曲线，其中虚线代表液体表面的温度，实线代表底部附近的温度，如液体的起始温度低则两曲线之间分得很小时间（min）内部温度表面温度12071C72C24058C60C36049C51C48034C38C510025C29C612010C15C71401C4C 试验结论：1. 冷却主要在于液面。冷却率决定于液体的表面温度而不是平均实体的温度。液体内部的对流使得液
8、面温度比内部高并且即使两杯液体冷却到相同的平均温度原来热的系统的热量损失仍然在比原来冷的系统大，一个物理工作者看到关于这个原来热的液体先冻结的报告感到惊奇是自然的。因为液体在过渡在冻结之前必须经过一系列的过渡温度。2. 冷却系统存在温度梯度。但是问题的实质在于单用一个温度来描述一个系统是不够的，因为它还取决于初始温度和温度梯度。上面提到由于对流造成液体内部的温度梯度，并且始终维存液面温度高，从而造成热量主要从液面散发的解释不能说是完美的。它只是一个试探性或暂时的解释，所作的实验也仍是粗糙的。此外可能还有一些因素影响着冷却率，因而更确切，肯定的解释有待于更加精细和严格的实验。3. 汽化不是解释这
9、一现象的主要因素。在物理老师的指导下我们查阅了资料知道汽化只引起微小的体积变化，温度差报引起的汽化潜热不能引起超过3的冷却，因而不能认为是具有高的初始温度的系统快速冻结的原因。一点思考：关于这一发现的随意讨论与研使我们想到了另一种现象：在发生冰冻的日子里热水管将比冷水管先冻，可惜，这一现象在南方的环境中是无法用实验来验证这种说法是否正确，最后，我们热情欢迎对此问题的感兴趣的同学来加入我们的研究行列并且能提供更多的信息和科学的解释。我们可以说说：冷却速率总有可能受到我还没有考虑的因素的影响。指导教师评价：这个事实足可使人感到惊讶，是因为它们看上去与我们所熟悉的物理相矛盾。其实日常生活中发生的事并不象表面看上去那样简单！这一现象的发现我的学生并不是第一个，早在上个世纪30年代，美国一个叫姆潘巴的小男孩便提出了这个问题，在当时对权威物理学家也产生了一定的冲击。事过多年，我的学生也遇到了这一问题，这是一次培养学生动手能力的绝好机会！因此现在我十分赞同要鼓励学生提出问题，没有问题的学生比有问题的学生更危险！并对自己的知识持批判的态度，提问决不应被奚落和嘲讽！孩子的观察能力和对问题的敏锐性绝不会比老师差！肤浅地判断什么是对，什么是错是极其危险的。1
