冰：最近感觉压力有点大 | 正经玩_风闻

原创：中科院物理所

大家好，我是冰块

我有个好朋友叫可乐柯南

熟悉柯南的朋友们应该知道

我的作用不亚于正经玩里的所标杯

比如《无人能破的冰之陷阱》中

俺就发挥了巨大作用

今天就给大家重现一下”案发现场“

也许下一个名侦探

就是你哦~

实验器材

 所标杯、剪刀、胶布、纸杯、

尼龙绳（或其他抗拉能力强的细绳）、重物

实验过程

先用剪刀将两个纸杯剪开

再用胶布粘接牢固

形成一个半圆柱形的容器

在容器内加入水

进入冰箱冷冻一段时间

待水凝固成冰后取出

将冰柱放在两个板凳之间

然后在尼龙绳的两端绑在重物上

整体挂在冰柱上

整体结构

下面就静静地等待吧~

一段时间后

尼龙绳已经嵌入冰柱内部

约2小时后

尼龙绳完整地穿过了冰柱

但神奇的是冰柱并没有被割断

尼龙绳穿过后的冰块如图

可以看到冰柱表面虽然有

尼龙绳“割过”的痕迹

但整体并没有断成两半

原理解说

这次的实验现象被称为复冰现象。通常的解释为，由于细线上悬挂着重物，所以，细线会对冰柱产生很大的压强，从而使冰的熔点下降，进而使冰柱与细线接触的部分发生融化。这时，细线会因为其下方的冰柱融化，逐渐向下移动，而其上方融化的部分，会因为压强消失，熔点提高，重新结冰，即复冰。因此，细线会慢慢地穿过冰柱，但是冰柱不会被切断。

装置示意图

说到这，有一个更为深入的问题，为什么压强增大，熔点降低？

水的三相图[2]

在热力学中，冰融化涉及两相平衡的问题。冰水两相共存时，他们的温度、压强以及化学势是相等的。由这些条件，可以推出克拉珀龙(Clapeyron)方程：

克拉珀龙方程的左边描述了两相平衡时，压强变化与温度变化之间的关系，也就是三相图中曲线的斜率。

方程的右边，分子上的L表示冰转变为水时需要吸收的热量，常识告诉我们，冰融化时需要吸热，所以L是正的。而分母中的T表示融化时的绝对温度，也是正的。分母中剩下的部分表示冰融化时的体积变化，从冰块浮在可乐中可以知道，水变成冰时体积是膨胀的，因此这里的体积变化是负的。综合三项的正负可以知道，方程的右边是负的。这就意味着，冰水两相平衡时，压强增加，温度会降低。也就是压强越大，熔点越低。

可乐中的冰块

小编还查阅了相关的资料，发现了一些更有意思的事情。小编查到，在一个标准大气压下，冰的熔点随压强的变化关系是：压强每增加一个标准大气压，熔点降低约0.0075K[1]。实验中，重物的质量为3.5kg，冰柱直径6cm，细线直径约为0.5mm。可以估算出，细线对冰柱的压强约为：

这样一来，熔点只降低了0.075K。从结果上看，小编产生了很多疑惑，熔点的变化这么小真的就能使冰发生融化吗？在东北零下20度的环境中这个实验还能做成功吗？滑冰用冰刀也是因为复冰现象吗？这都有待进一步地研究探讨~

滑冰[3]

分析完实验原理，小编突然想到，如果以后有人提出要和小编分冰棍，小编就跟实验中的操作一样，拿根细线，下面挂个重物，细线切下多少，小编就分给她多少。嗯，这么巧妙的方法，用起来还有些小骄傲呢~

参考资料

[1]热力学.统计物理 汪志诚

[2]三相图

[3]滑冰