优化证明干冰入水后水面白雾成因的方案

赵彩红

(江苏省南京汉开书院学校 江苏 南京 210000)

1 提出优化方案

文献[1]中篇名为“舞台干冰造雾成因探讨”的内容引起了笔者的注意，因为在带学生做干冰升华实验时也存在同样的疑问，详细学习后非常赞同这篇文章中提到的“白雾不是水蒸气液化现象”这一猜想[1]，但发现文中的证明过程有3处不严谨：

第一处：“将干冰放在水面上方空气中，可以看到有少量的白雾形成，这些白雾与将干冰放入水中形成的白雾相比，基本上可以忽略不计”.这里看似是对比实验，其实存在很大的问题，因为干冰放在水面上方升华吸收的热量基本上都是来自空气，而放入水中升华吸收的热量主要来自水中.在两次实验中，干冰升华的快慢不同，根据大量实验证明，等量的干冰在空气中完全升华成气体二氧化碳需要的时间比在水中长，那产生的白雾少是正常现象.

第二处：“将干冰放入水中，吹开水面白雾，可以看到气泡在上升到水面前面已经是奶白色，再将干冰放入水中和油中进行对比实验，可以看到油面上没有白雾”，从而得到了结论“二氧化碳气泡在达到水面之前，内部就已经形成了白雾”.实验中干冰在水中升华快，水中气泡运动也非常快，作者“看到”水中气泡是“奶白色”就能得到“气泡内是白雾”这个结论了吗？那不含有白雾的气泡是什么颜色？还有干冰放入水中和油中的对比实验只能证明产生“白雾”的“初始物质”来自水中.

第三处：“大量干冰放入水中”能产生大量白雾，“一段时间后”“底部干冰已经被冰块包裹着，没有再出现少量干冰实验中的大量奶白色气泡”“侧面证明干冰升华产生的二氧化碳使水雾化”.文中用了两处对比：“大量干冰放入水中时”与“一段时间后”对比，和“一段时间后被冰包裹着的干冰”与“少量干冰”对比.“被冰包裹着的干冰”升华慢，水中气泡运动的也慢了一些，不是“奶白色”不能得出文中的结论.

基于以上的证明过程存在的不足，提出在探究“干冰入水后水面白雾成因”时采用下面的实验证明流程.

2 优化实验探究方案

2.1 实验一：杯口“白雾”是不是空气中水蒸气液化形成的

实验:取3小块干冰片，一块直接放在水面上，另外两块分别放在塑料片和硬纸片上并让它们漂在水面，如图1所示.

图1 干冰接触3种不同的物质漂在水面上

现象:直接放在水面上的干冰片像小船一样到处游动，同时在其周围伴有大量的“白雾”出现，而另外两块干冰片周围只有少量的“白雾”.

结论:在水面上方水蒸气含量相同的情况下，产生“白雾”量相差如此之大，只能说明“白雾”并不是由空气中的水蒸气液化形成的.

追问:产生“白雾”的初始物质有没有可能是来自于杯内的水中呢？

2.2 实验二：杯口“白雾”的初始物质来自哪里

实验:在两个相同的杯内分别倒入温度相同、等量的煤油和水，将等量的干冰放入两个杯中，如图2所示.

图2 杯内分别为等温等量的水和煤油时的比较实验

现象:盛有煤油的杯口只有极少量的“白雾”出现，几乎看不到，而盛有水的杯口却有大量“白雾”出现.

结论:水杯杯口的“白雾”主要来自于杯内的水中.

追问:既然水杯杯口的“白雾”不是由空气中的水蒸气液化形成，而是来自杯内，那么“白雾”是水杯中的水先汽化然后再在杯口液化形成的吗？

2.3 实验三：杯口“白雾”的形成不是液化现象

实验:在两个相同的杯内分别放入温度相同的水，取两份等量的干冰，一份干冰直接投放到水中，一份干冰用纱布包裹起来投放到水中(如图3所示).

现象:干冰直接投放到水中后(图3左)，干冰升华产生的气泡是白色的(主要成分是二氧化碳气体和液态小水珠)，并且在杯口出现大量的“白雾”.而用纱布包裹的干冰投放到水中后(图3右)，从水中冒出的气泡几乎是无色透明的(主要成分是二氧化碳气体和少量的液态小水珠)，杯口只出现少量的“白雾”.

图3 干冰直接放入水中与包裹放入水中的比较实验

结论:这一实验表明，杯口的“白雾”并不是水蒸气液化形成的，而是“雾化”形成的，即是液态水先被“击碎”成小水珠然后被气泡带出水面，它不属于物态变化现象.

3 干冰入水后水面“白雾”成因解释

下面分析推理干冰放入水中后为什么可以使水“雾化”的成因.根据超声波雾化器原理——利用超声能量使液体形成微细雾滴，其雾化方式为：处于振动表面的薄液层在超声振动作用下激起“毛细——重力波”，当振动面的振动幅度达到一定值时液滴即从驻波峰上飞出而成雾[2].当干冰放入温水后迅速升华成二氧化碳气体，二氧化碳气体在释放的过程中产生剧烈振荡，把干冰表面的水“击碎”形成小水珠储存在二氧化碳气泡里，即图3(左)中上升的白色气泡，气泡上升到液面后再将气泡中的“白雾”释放到空气中.