师:同学们好,本节课我们一起来学习升华和凝华,这部分内容取自初中物理北师大版八年级上册第一章第四节。
首先,我们来看本节课的学习目标:一是知道什么叫升华,什么叫凝华;二是明白升华是吸热过程,凝华是放热过程;三是能够解释生活中常见的升华和凝华现象。
在学习本节课内容之前,老师带大家回顾一下前面学过的四种物态变化。由固态变成液态的熔化,需要吸收热量;由液态变成固态的凝固,需要放出热量;由液态变成气态的汽化,吸收热量;由气态变成液态的液化,放出热量。
现在老师有个问题想请同学们思考:如果想让物质从固态变成气态,或者从气态变成固态,中间的液态过程是不可避免的吗?换句话说,物质能否由固态直接变成气态,或由气态直接变成固态呢?自然界中是否存在这样的物态变化呢?
在回答这个问题之前,我们来看两个生活中的例子。今年夏天很热,相信不少同学暑假经常吃雪糕。从冰箱冷冻室取出的雪糕不会融化,因为它的熔点是0摄氏度,而冷冻室温度极低,但雪糕表面会出现一层白色的霜,这些霜是如何形成的呢?首先可以排除它不是雪糕原有的成分。
还有,放在衣柜中驱逐蚊虫的樟脑球,一段时间后会变小甚至消失,这又是怎么回事呢?给大家提供一个信息,樟脑球主要成分是萘,是一种晶体,熔点是80度,大家衣柜里的温度绝对不可能达到80度,所以就排除了樟脑球融化之后汽化跑掉的可能。那这到底是怎么回事呢?
由于这两个现象很难用肉眼直接观察,接下来给大家介绍一种新物质来方便研究,它就是碘。碘的熔点是113.64摄氏度,是晶体,和碘盐里的碘成分一样。老师在课前制作了一个简单视频,通过这个视频,同学们来观察碘在整个实验过程中发生了什么样的物态变化,你是怎么做出判断的,以及这样的变化需要吸热还是放热。
我们先来看这个实验所使用的仪器,除了碘颗粒之外,其他仪器大家比较熟悉。将少量碘颗粒放入试管,再把试管放入烧杯,点燃酒精灯。观察试管,很快里面就出现了紫色的东西。接着将试管放入热水。
好,实验视频到此为止。接下来分析碘在这个过程中发生的变化。最开始碘是固态,后来变成了气态,那有没有经历液态过程呢?答案是没有,因为碘的熔点是113.6摄氏度,而水在标准大气压下的沸点只有100摄氏度,它不可能融化,因为没达到熔点,所以只有一种可能,就是从固态直接变成了气态。
在酒精灯加热之前,我们看不到紫色的碘蒸汽,只有酒精灯加热一段时间,水的温度上升到一定程度,我们才观察到这种现象,说明这个过程是需要吸热的。同时,我们把盛有碘蒸汽的试管放在冷水中,很快碘蒸汽消失了,内壁产生了颗粒,一定是碘蒸汽变成了固态的碘颗粒。为什么在冷水中现象很明显呢?原因是碘蒸汽要对外放热,正好冷水可以吸收。所以从这个实验我们可以总结得出今天的两种物态变化。
我们把物质由固态直接变为气态的过程称之为升华。同时在热水中才能看到这种现象,说明碘只有在吸收热量的时候才会产生升华现象,所以升华需要吸热。
物质也可以由气态直接变为固态,这个过程我们称之为凝华。由于碘在冷水中产生了这样的现象,说明它对冷水放出了热量,所以凝华需要放热。
接下来我们借助这些知识来回答刚才的两个问题。比如说雪糕上的霜,它一定是固态的水,物态变化不会改变物质的种类,它一定是由液态水或者气态的水通过物态变化变成的固态的水。有没有可能是液态的水变化来的呢?在冰箱冷冻室,水早就变成冰了,拿出来也没接触水,所以这种可能排除,那就只能是气态水蒸气转化而来。那么空气中的水蒸气在哪呢?实际上就在空气中,因为夏天空气温度很高,空气中蕴含的水蒸气遇冷可以放出热量,从而凝华变成霜,所以这涉及的就是一种凝华过程。
同样,樟脑球没到达熔点却消失了,说明它是由固态樟脑球直接升华变成了气体。
生活中还有很多类似现象,比如雾凇,又被称为树挂,在安徽地区很难见到。如果寒假去北方,就有可能看到“忽如一夜春风来,千树万树梨花开”的景象。在寒冷冬天,没有下雨也没有下雪的晚上,树木却银装素裹。这是怎么形成的呢?其实刚才描述已给出答案,它一定是固态的霜,要么是液态水,要么是气态水蒸气变化而来。在这没有下雨,那就只有可能是空气中的水蒸气。在寒冷冬天凌晨,气温达到最低,这时空气中的水蒸气遇冷会凝华在树枝上形成雾凇景观。
还有一种现象,大家可能在生活中见过,叫冰花,也叫窗花,同样出现在寒冷冬季。它是如何形成的呢?和雾凇形成原理极其相似,固态的水要么是液态变的,要么是气态变的,大家认为是哪一个呢?在寒冷冬季,玻璃温度很低,它隔绝内外,有一侧空气温度会高一点,是屋内还是屋外呢?屋内温度高,屋内的水蒸气温度也高,因为凝华需要放热,温度高的水蒸气找温度低的玻璃放热,所以会凝华在玻璃上形成窗花、冰花。
那请同学们思考,玻璃上的窗花是在内侧还是外侧呢?其实刚才描述已经给出答案。外面温度很低,水蒸气温度也低,玻璃温度同样低,它们温度差不多,无法实现放热。而室内温度高,水蒸气温度高,需要找温度低的物体放热,所以窗花形成于内侧,不信今年冬天大家可以观察。
