这是难以置信的还是客观的？
–从几种物质的理化特性谈掌握科学规律的重要性
第3章
本章作者：何沛霖
本章前言
每到冬天，市面上会出现一种液体形式的暖宝宝。不使用它时，它就是由一袋液体和一个金属片组成。而当使用它时，只需要掰动里面的金属片，袋中的液体就会立马结晶并释放出热量。通过查阅资料与实验探究，我们明确了袋中的液体是乙酸钠的过饱和溶液。当我们掰动金属片时，过饱和的乙酸钠溶液会结晶并形成稳定的饱和乙酸钠溶液。可是，当过饱和乙酸钠溶液结晶时，为什么会放出热量呢？下面是笔者团队的理论猜想。
猜想一：相变热
（一）在研究相变热之前，首先需要了解什么是相变
在物理系统中，物理学性质相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相（phase）。对于物质而言，有固相、液相与气相。我们知道物质三种状态的主要区别在于它们分子间的距离、分子间相互作用力的大小和热运动方式的不同。在一定的条件下，物体能从一种状态转变为另外一种状态。而相变（phase transition）就是物质从一种相转变为另一种相的物理过程，其过程是由量变到质变。
对于“由量变到质变”的理解，我们用晶体熔化的例子来说明：在晶体熔化的过程中，固体物质首先需要吸热。随着吸热的不断进行，温度也不断升高，这是量变的过程。而当温度达到了晶体熔化的熔点时，晶体继续吸热，固体物质开始逐渐往液态转变，这就叫质变。随后晶体熔化，持续吸热但温度不变，处于固液共存状态，直至完全熔化。
（二）相变热[1]
相变热（heat of phase transition），其实就是一定量的物质在一定温度下发生相变时所吸收或释放的热量，常见的相变热有：蒸发热、熔化热、升华热等。
猜想二：结晶是溶解的逆过程，溶解吸热，结晶就放热[2]
运用这种逻辑，我们研究乙酸钠结晶时放热，不妨先研究乙酸钠溶解吸热。
对于化学反应中的能量变化：当物质发生化学变化时，断开反应物中的化学键需要吸收能量，形成生成物中的化学键需要释放能量。而当反应物中化学键断裂所吸收的能量大于生成物中化学键形成所释放的能量时，整个反应就为吸热反应；当反应物中化学键断裂所吸收的能量小于生成物中化学键形成所释放的能量时，整个反应就为放热反应。
当乙酸钠溶解在水中时，离子键断裂，该过程会吸收能量。而断键的离子在水溶液中会发生水化反应，即溶质离子与水分子作用形成水合离子，该过程会释放能量。比较上述两个过程吸收或释放的能量多少，发现吸收的能量比释放的能量多，是一个吸热的过程。从而我们得出，溶解时吸热，结晶时放热。
本章总结
第4章
凝固点下的液体——超冷水
本章作者：李肖然
本章前言
坐落于日本北海道的城市札幌每年都会在2月第一个星期举办盛大的“札幌冰雪节”，笔者所在团队的一名成员曾在3年前前往参加了当地的这个隆重盛典。活动期间发现，当地气温为-3℃至-18℃不等，但是仍然有液体水的存在，不过这种液体水一经触碰后就会立刻结冰，这是为什么呢？
一、探究过冷——从现象推理本质
通过初中物理的学习，以及对这个世界的认知，大家都形成了一种水会在0℃时结冰的固定认知。然而，神奇的物理却随时给人以惊喜——水在0℃以下仍然可以以液体形式存在！为了解释这种现象我们需要全面、透彻的定义冰的形成。首先，运用大家初中所学过的知识，从宏观物态变化的角度分析，水变为冰，是由液体“水”通过凝固变为固体“冰”，整个过程放热，也就是我们普遍认为的0℃结冰，但为了解释这一现象，我们还需要从更微观的角度剖析冰的形成。
冰的形成其实是一个结晶（crystallize）的过程，如果原本水中已存在成核（nucleation），低于其标准熔点的液体的水分子就会在核周围形成结晶结构（crystalline texture），依附在冰晶上，结成冰的过程就可以进行。但是有些水太洁净，没有尘埃和杂质，容器又非常干净而平滑，缺少这样的晶核，冰晶就因无处可依附而不能形成，于是温度轴上的液体部分可以一直延伸，即使温度低于冰点（ice point）（标准压力下水的冰点0℃），水仍然会维持在液体的状态，直到均匀核化结晶生成。
下面来简单的解释一下，液态的水分子其实是乱七八糟到处乱窜的，而冰块中的水分子却是按照严格的“队形”排列着的。当水将要结成冰队必需先有一些微小的冰晶做“核心”，水分子才容易围绕这些核心不断地排列起来，使“队伍”不断壮大，形成冰块。在普通水中，由于含有许多极其微小的浮悬物或者是冷却过程较慢，这时微小的冰晶很容易产生，因此结冰并不艰难。可是极纯的水在很快冷却时，冰的晶核却不容易产生，因此虽然有时温度已降至零度以下，这时的水分子却仍然像“乌合之众”一样，由于缺乏“核心”而始终排不成“队形”，就出现了奇妙的过冷现象。如果在过冷的水中投入一小粒冰晶，就会像军队紧急集合形成“队形”那样，立即结成冰。
通过上述结论我们还可以引申出与过冷现象相反的过热现象（superheating）。假如事前将溶在纯水中的气体除去，然后将水放在一个光滑的玻璃烧杯内，在保证不受到任何微小震动的条件下小心加热，那么就有可能出现过热现象，也就是说，水的温度已超过100℃而仍不沸腾。有时温度计的水银柱已上升到150℃以上，可是水面却依旧平静如镜没有出现沸腾现象。有人曾经用这样的方法将水加热到200℃而水仍不沸腾。不过这种过热的水是十分危险的，它就像一个拉开弦的手榴弹随时都可能突然“爆炸”，一个轻微的震动或者掉进一粒较大的灰尘，过热的水都会一下子猛烈地沸腾起来，其剧烈的程度相当骇人。在蒸馏等操作过程中，有时也会出现过热现象，接着又一下暴沸起来，严重的可以将蒸馏锅炸毁，轻的也会使蒸馏液冲出。
由此发现，我们将这种通过降低液体或气体的温度，但不使其凝固，并且能做到让水瞬间凝冰效果的过程，叫做过冷（supercooling），也称作超冷冻。
二、超冷水的神奇现象
要想深入了解超冷水，就需要进行实验探究，然后得出实验结论，形成超冷水的性质探究。笔者进行了两项实验。如下为实验报告：
探究课题一：模拟超冷水形成实验
美国犹他大学的化学家瓦莱里亚尼·莫利内罗和埃米莉·穆尔利用电脑来模拟超冷水的凝结行为。他们模拟了当32768个水分子冷却时将会发生的情况。在电脑上经过数千小时的实验，结论得出来了。水一定会结冰的温度是-48℃。当水接近这一温度时，它就变得密度不那么大，开始变得更容易压缩，其结构开始改变。结果，每一个水分子松散地与另外四个水分子相连，形成了金字塔形状。研究人员称之为“中间冰”，即快要结冰还没有完全凝结成冰的状态。这一研究结果发表在了周三出版的英国《自然》周刊上。研究全球变暖的气候学家想要知道水凝固并结晶成冰的温度和速度。他们发现，在云中水温可以低至-40℃。莫利内罗说：“你需要这个来预测，大气中有多少水以液态形式或结晶形式存在。这对于预测全球气候至关重要。”
探究课题二：自制超冷水
实验用品：纯净水2瓶、矿泉水2瓶、具有制冷-25℃功能的冰箱1台
实验组：
（1）1瓶矿泉水直接放入-18℃冰箱1.5小时
（2）1瓶矿泉水在常温常压下静止4小时候后沿静止方向缓慢放入-18℃冰箱1.5小时
（3）1瓶纯净水常温常压下放入-18℃冰箱1.5小时
（4）1瓶纯净水在常温常压下静止4小时候后沿静止方向缓慢放入-18℃冰箱1.5小时
实验结果：（1）、（2）、（3）组实验均直接凝固，（4）组实验在快速摇晃或撞击的情况下，会发生，由液体快速结晶变为固体的状况
实验结论：纯净水在0℃以下可能不会出现凝固现象。因为（1）、（2）组实验矿泉水中均含有少量矿物质，所以无论是否静止，这些矿物质都充当了冰晶核心，从而使整瓶水出现凝固的状况。而在（3）组中，因为纯净水未静止，所以其内部状态非常不稳定，没有形成稳定的内部压强，仍然在移动的水分子，还是可以充当冰晶核心。至于（4）组，经过4小时的静止，纯净水逐渐稳定，形成内部压强，它的水分子已经不会乱动了，所以在冷冻1.5小时后，还是以液体形式存在。若其受到剧烈冲击，内部稳定的结构被破坏掉，过冷的温度就会使其快速结晶，形成超冷水。
三、超冷水的应用前景
过冷水动态制冰是近几年发展起来的一种新的制冷技术，与传统的静态制冰相比具有较高的制冰率和能量效率。在过冷水动态制冰过程中，冰层不在换热表面生长，因而水与冷媒之间热阻并不随制冰过程的进行而改变，整个系统运行稳定，能效较高。并且过冷水动态制冰制出的“泥状冰”是一种冰水混合物，其中的冰晶呈微小的针状或鳞片状，与块状冰相比，泥状冰与取冷冷媒之间的换热系数较大，能够在短时间内释放大量的冷量。
研究心得
风华正茂的青年们，世界终将是属于你们的!你们是否带着好奇的脚步，向着充满未知的而又拥有着无限美丽的世界又迈进了一步呢?你将会发现，科学的世界是辽阔的，无边无际的，它正需要你们一步一步的探索。有许多目前无解的问题等着你们回答，有许多现在未知的领域等着你们去涉猎。探索的过程可能是艰难的、痛苦的——你可能也曾深陷泥潭，苦苦挣扎；你可能也曾掉入陷阱，奄奄一息；你也可能曾次次跌倒，头破血流；你或许曾跋山涉水，筋疲力尽。但当你站在人生的高峰向下俯视，当天边的红日升起照亮这片遍布你的足迹的大地，当你看到青绿的原野，蔚蓝的大海，当你看到生机勃勃的新芽，成群的飞鸟。我相信你那伤痕累累、疲惫不堪的面庞上会落出狂喜的笑容，晶莹的喜悦的泪珠将划过你布满灰尘的脸颊，你会觉得你所有的风餐露宿、翻山越岭、死里逃生、化险为夷的经历都成为成功路上的加持，你的每一个脚印，看到的每一朵野花、倚靠过的每一棵树都那么美丽动人。
青年们，人类积攒了几千年的财富，所有的知识、见识、智慧和艺术，像是专门为你们准备的礼物：科技繁荣、文化繁茂、城市繁华，现代文明的成果被层层打开，你们可以尽情地享用。你们有幸遇见这样的时代，但是时代更有幸的是，遇见这样的你们。你们正在把学术的变成大众的、把深奥的变成浅显的、把理论的变成实践的，你们把自己对科学的热爱变成了与大家共同分享知识和快乐的伟大事业。世界的发展离不开中国，中国的发展离不开你们，中国道路、中国方法、中国创造将为人类的发展做出新的更大贡献。在你们身上，看到了一个国家最好看的风景，因为这就是这个国家的年轻人奋斗拼搏的样子！
那么，奔涌吧，后浪！新时代是属于你们的！你们更应该自力更生、顽强拼搏，创造属于你们自己的美好明天！
参考文献：
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[21]让你爱上科学的神奇动态图——物理篇 种豆网
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[24]水在什么温度下会结冰？答案不一定是零摄氏度. 法新社.巴黎. 2011年11月23日电
[25] bilibili献给新一代的演讲《后浪》．Bilibili
[1]对于相变热的计算详见附录三
是不可思议，还是客观真实？目录：
1.摘要介绍与第一部分
2.第二部分第2章
3.第三部分第3章、第四章与研究心得、参考文献
4.特别感谢与附录