Featured image of post 洗碗机里的比热实验

洗碗机里的比热实验

一个可以在家做的物理实验,让你直观理解比热容的意义。

比热容,孩子家长们,有多少人还记得这个物理名词?记得它的含义?

如果你家有洗碗机,恭喜你,在家就可以做个实验,让你和小孩对这个物理概念过目不忘。

实验过程很简单,把大小相近的陶瓷碗、玻璃碗(非必须)、不锈钢碗、塑料碗放进洗碗机,正常洗一遍就好。洗完后第一时间开盖,观察各种碗上的水滴蒸发情况,是不是都能蒸发完?谁快谁慢?

实验结果很可能是陶瓷和玻璃碗先干,金属和塑料甚至都干不透,还挂着水珠,尤其在冷天里。这就和这几种碗的比热容有关系。

陶瓷和玻璃可以近似看作同一种材料,它们的比热比不锈钢大。比热在教科书上的定义是:单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。是不是很抽象?我换个不太严谨但在日常生活中也不会错的说法,就是同样重量,在同样的温度下,陶瓷和玻璃能够存储的热量比不锈钢多。

具体过程是这样的:

  1. 洗碗机用大量滚烫的水,把各种碗都浇到烫手的程度。虽然不同材料温度上升速度不同,但由于水量够大,洗的时间够长,最终一定都会上升到同样的温度。
  2. 开盖后,烫手的碗开始利用余热把表面水滴蒸干。简单来看,只有表面接触水滴的部分,热量会用来蒸发,直接接触空气的部分,热量就散失掉了。
  3. 水滴在各种碗表面的分布相差不大。我们可以近似认为,每种碗表面覆盖水滴的比例都是一样的。
  4. 碗从烫手降到室温,洗碗过程中存进去的热量也就释放完了。陶瓷和玻璃释放了相当多的热量,把表面的水都蒸干了。金属本身就没有存下很多热,即使都释放完,也还挂着水珠。

我这个描述其实有两个漏洞,先讲第一个,忽略了重量。但巧的是,同样大小的碗,陶瓷和玻璃通常都是最重的。因为这两种材料薄了容易碎,所以往往很厚重。而不锈钢虽然密度比陶瓷更大,但它不容易破,可以做得很薄,因此同等大小情况下反而比陶瓷碗更轻。这一重一轻,储存热量的差距进一步拉大。

第二个漏洞,忽略了散热速度。我们知道金属导热速度比陶瓷要快得多,这也是为什么金属锅煲汤没有砂锅煲汤好喝,这是另外一个问题,不展开讲。导热速度快会怎么样呢?热量被水滴挡住不容易跑,当然哪里容易往哪跑。虽然表面覆盖水的比例一样,但导热快的不锈钢会有更多热量从接触空气的部分溜走,实际没有多少用来蒸干水滴。水还没干,不锈钢就早早降到室温了。这一慢一快,实际有效的热量,差距继续拉大。

于是就造成了两者实验结果有如此大的悬殊。

但为什么我一直没有提塑料碗?这是一个非常混淆视听的存在。塑料的比热甚至比陶瓷还要大,但它实在是密度太小,整个重量比前两种碗轻得不止一点点。在重量的差距面前,其他因素几乎可以不考虑了,就塑料碗存下的那么一丁点热量,也不足以蒸干水滴。

最后补充个小提示:这个实验受季节影响较大,如果实验结果看不出什么差别,那就试着10分钟后再开盖,20分钟后再开盖……以此类推,用闷在洗碗机里的湿气来降低整体蒸发速度,直到不同材料表现出区别。