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河水结冰与河流解冻

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在通常情况下,铁是固体,水是液体,氧气是气体,物质处于哪种状态,跟温度有关,温度改变时。物质可以由一种状态变成另一种状态,物质由一种状态变成另一种状态,叫做物态变化,如水在放热(温度降低)时可以凝固成冰,冰在吸热(温度升高)时可以熔化成水,可见,河水结冰河流解冻属于物态变化中的凝固和熔化现象。

同学们肯定都有这样的生活经验,当温度降低到0℃时水就会凝固成冰,但实际情况并非如此简单,一方面自然界中的水不是很纯净的,水里面溶解了很多其他物质,水的凝固点就会降低,水需在0℃以下才能凝固成冰:另一方面,当温度刚好由0℃以上降低到0℃时,水是不会凝固成冰的,因为水凝固成冰时放出的热量是很多的,如果正好是0℃的凝固点,那么水刚凝固成的小冰晶又会很快被熔化掉,所以,一般温度在0℃以下的河水才会出现凝固现象。

不流动的水(静水)凝固时需要较低的温度,实验室里曾经记录到蒸馏水冷却到-20℃还不见冰晶出现的数据,一般静水冷却到4℃后,水面继续降温,仅能使水面表层发生冷却,底层在较长时间里还是维持在4℃的温度,所以静水凝固是从水面开始的。

初冬时节河流淌凌(流淌的冰凌)是河流开始凝固成冰的最初阶段,河水是流动的,流动的水凝固成冰的过程与静水很不相同,流水由于处在流动状态,不仅水的表层冷却迅速,就是底层也同时降温,水面和底层几乎可以同时凝固成冰,大多数研究者认为,河水结冰是同时在水面和水中发生的,理由是河流混合作用强,在结冰前河水上下都能达到大体相同的温度,只要有结晶核,就可以在任何地方开始结冰。

河流封冻有两种情况,一种是从岸边开始,先结成岸冰,然后向河心发展,逐渐汇合成冰桥,冰桥宽度扩展,使整个河面全被封冻,还有一种是流冰在河流狭窄或浅滩处形成冰坝后。冰块相互之间和冰块与河岸之间迅速冻结起来,并逆流向上扩展,使整个河面封冻。

上面介绍了关于河水结冰的现象,下面讲讲关于河流解冻的问题。

当大地回春,气温升高的时候,河流里的冰开始熔化,熔化的冰块随着河水向下流动,河流开封,但是并不是所有的河冰都这样斯斯文文地解冻,让河流顺利开河,有时候解冻来得很快,特别是气温猛升或水位暴涨,大块冰凌汹涌而下,这样就容易造成冰凌冲击,科学家们给这两种河流开河方式起了很有趣的名字,对于慢慢解冻的开河方式叫“文开”河,对于迅速解冻容易引起冰凌冲击的开河方式叫“武开”河。

由南向北的河流特别容易发生“武开”河,当上游已是春光明媚,下游还是冰封千里的时候,冰熔化成的水带着冰凌顺流而下,时而阻塞,抬高水位,时而溃决,横冲直撞,使下游冰层遽然胀破,于是形成巨大的冰排,向下猛冲,对桥梁堤坝危害严重,冰凌对桥墩威胁最大,春季淌凌时出现大冰排威胁桥墩时,需要用飞机或其他措施把冰排炸碎。

由冰凌壅塞引起的暂时涨水,叫做凌汛,黄河上游从宁夏到内蒙的河套段和下游在山东入海的地方,由于河段北流,经常出现凌汛,凌汛期间易出险情,一是凌汛来势猛烈;二是地冻未消,取土抢险困难,据统计,解放前,黄河改道后的百余年间,仅山东境内因凌汛决口就有35次之多,给沿岸人民造成很大的损失和痛苦。

俗话说,七九河开,八九雁来,九九加一九,耕牛遍地走,北方的季节,七九,河是开不了的,由于地表温度还没有达到熔化冰的程度。

离岸近的地方,冰下面已经空了,托着它的水,悄悄地退去,地表温度逐渐上升,阳光一天热似一天,冰怀揣着一丝对冬的凉意,眷恋着逐渐缩小的身躯,憧憬着来年的冬季,无可奈何地熔化了,水面越来越宽,越来越大:岸边的冰,越来越小,冰熔化成了水,水托起了冰,追着离它不远的水,冰漂浮在水上,它们又融合了,固态液态结合了,它们本来就是一家人。

解冻的河流在流着,它们在释放着憋了一冬的精力,小河,融入大河,大河又融入更大的河,然后汇集起来,形成春潮,汇入大海。

下面说一说一种有趣而奇怪的现象,这种有趣而奇怪的现象是坦桑尼亚的马干巴中学三年级学生姆潘巴在1963年偶然发现的,有一天,姆潘巴和几位同学一起做冰淇淋,为了抢先,一位同学将生牛奶加糖后,立即送进冰箱的冷冻室;而姆潘巴则按部就班。将牛奶煮沸,放糖后送入冰箱,过了一段时间后,姆潘巴发现,他的热牛奶已经冻结,而其他同学的冷牛奶却还是很稠的液体,这是为什么?姆潘巴百思不得其解,这就是有名的“姆潘巴之谜”,姆潘巴把这特殊现象告诉了达累萨拉姆大学的物理学教授奥斯博尔内博士,奥斯博尔内听了姆潘巴的叙述后也感到有点惊奇,但他相信姆潘巴讲的一定是事实,尊重科学的奥斯博尔内又进行了实验,其结果也和姆潘巴的叙述完全相符,这就确切地肯定了在低温环境中,热水此冷水结冰快,此后,世界上许多科学杂志载文介绍了这种自然现象,还将这种现象命名为“姆潘巴效应”。

人们通常都会认为,一杯冷水和一杯热水同时放入冰箱时,冷水结冰快,事实并非如此,现在,一般认为,造成“热水先结冰”现象的原因有:首先,水在较热的容器中循环较好,容器中部的热水迅速地流向容器壁或流向水的表面;其次,如果水比较热,就会放出更多的溶于水中的气体,溶解的气体会推迟冷却时间,冷却前除去溶解的气体可以使水较快地达到凝固点;第三,热水比冷水会失掉更多的质量和蒸发热,例如,水从100℃冷却到0℃,假设主要的热损失由蒸发引起,则其质量损失约为16%,因此热水剩下需要冷却的质量较少,水便更快地达到凝固点。