一升100度的水倒入一升0度的水中,水溫會變成50度嗎?

引言:假設兩杯水的體積都是1升,一杯水的溫度是0攝氏度,另一杯水的溫度是100攝氏度,若將它們混合後得到體積為2升的水,其溫度是50攝氏度嗎?

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生活中不知大家是否有將兩種不同溫度的水混在一起的經歷,當將溫度較高的水倒進盛有溫度較低的水的器皿中,混合得到的水的溫度會介於混合前兩種水的溫度之間。如果是將較低溫度的水倒入盛有較高溫度的水的器皿裡,也是同理。這種方法常用來降低水溫或升高水溫,適應範圍廣,使用頻率也較高。

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對於這一簡單的生活現象,不知大家是否思考過一個問題:如果是將1000毫升100攝氏度的開水與1000毫升0攝氏度的水混合,會得到2000毫升50攝氏度的水嗎?剛看到這個問題,很多朋友或許有些疑惑,從物體熔沸點的角度來看,當水的溫度低至零攝氏度的時候,水不是會結成冰?同樣地,當溫度達到100攝氏度時,水不是會由液態轉變為氣態?兩種狀態不同的事物如何能混為一體?

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需要注意的是,0攝氏度與100攝氏度的確是水狀態發生變化的臨界點。不過,當溫度剛好等於0攝氏度時,水的液相與固相是共存的。此時,如果想使水的狀態由液態轉變為固態,還需釋放大量熱量。如果溫度沒能持續降低,水其實是保持原本的液體狀態而不會轉變成固態,因為0攝氏度是臨界溫度而非突破溫度。

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同理,當溫度剛好等於100攝氏度時,水的液相與氣相也是共存的。如果想令液態水轉變為氣態水,那麼還需吸收一定熱量,溫度需繼續上升。若非,水可能保持原本狀態。因此,1000毫升100攝氏度的水能與1000毫升0攝氏度的水混合。

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那麼,混合之後得到的水的溫度是多少呢?很多人或許會不假思索地回答到,50攝氏度!但其實,結果並沒有那麼簡單,並不是兩個數值相加再取平均,因為溫度變化還受密度、比熱容等物理量的影響,它不是簡單加減乘除便能得到的數值。

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根據物理知識,在地球氣壓下,當水的溫度為4℃時,它的密度最大,為1000千克/立方米。那麼,當水的溫度分別為0攝氏度和100攝氏度時,水的密度是多少呢?經計算,前者的密度是999.84千克/立方米,後者是958.37千克/立方米。所以,在體積同為1升的情況下,根據公式p=mv可知,兩者的質量相差41.47克。也就是說,當體積都為1升時,0攝氏度的水比100攝氏度的水重41.47克。

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另外,在溫度變化的過程中,水的比熱容也在發生變化。根據規律可知,當溫度從0攝氏度上升至100攝氏度時,水的比熱容先下降而後上升。具體地說,溫度從0攝氏度上升至50攝氏度的過程中,水的比熱容不斷減小,約在50攝氏度時達到最小值。之後,隨著溫度的升高,在從50攝氏度升高至100攝氏度的過程中,水的比熱容不斷增大。

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根據公式c·m1·(100-t)=c·m2·(t-0)(c為比熱容)進行計算,混合1升1000攝氏度的水與1升0攝氏度的水,最終得到的溫度是48.94攝氏度,結果略小於50攝氏度。

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通過這個簡單的小計算,我們可知,許多看似簡單的物理現象其實並不簡單,最終所獲得的結果可能也與我們的想象不相符。所以,在日常生活中,我們還是需要多思考勤動手,不可全靠猜想解答問題。你覺得呢?



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