蒹葭苍苍，白露为霜——物态变化

作者：祝磊

《诗经》中有一首诗名为《蒹葭》，开头两句是“蒹葭苍苍，白露为霜”。意思是说芦苇长得茂盛，露水结成了霜。《千字文》中有“云腾致雨，露结为霜”，说的也是露水结成了霜。
如果从物理学的角度看，露水是水，霜是冰，液态的水结成固态的冰就是凝固现象。

●六种物态变化

物态变化是物质在各种状态之间的变化，凝固现象是物态变化的一种。物质常见的状态包括气态、液态和固态 3 种。而物质不常见的状态还有超固态、等离子态、中子态等，这些超出了普通物理的范 围，我们这里就不讲了。

这里我们只讨论气态、液态和固态 3 种状态的相互转化。从数学的角度看，它们的排列组合有 6 种可能。

1.气态变为液态，这叫液化；

2.气态变为固态，这叫凝华；

3.液态变为气态，这叫汽化；

4.液态变为固态，这叫凝固；

5.固态变为气态，这叫升华；

6.固态变为液态，这叫熔化。

在物理世界里，这 6 种物态变化都是存在的。

霜是怎么来的？

比如刚才我们说的露水，初中物理教材上说露水是“空气中的水蒸气遇冷凝结成的小水滴”，这就是说露水是水蒸气液化形成的。

初中物理教材上还说“我国北方秋、冬两季，有时地面和屋顶会出现霜……这些都是凝华现象”，这就是说霜是水蒸气直接变成固态冰而形成的。

看到这儿，你有没有感觉奇怪？开头的诗歌中说露水凝固成霜， 现在又说水蒸气凝华成霜。

凝固还是凝华？一字之差，大有不同！霜到底是露水变的，还是水蒸气变的？

从逻辑上讲，霜既可以由露水变成，也可以由水蒸气变成，两者并不矛盾。

在实际的物理世界里，我们看到的露水一般是球形水珠，附着在植物叶子上。如果夜晚温度降低，露水冻成冰，变成“冻露”，形状还是球形。而我们通常见到的霜是一种冰晶，形状是扁平的，接近雪花。

所以，我们认为，霜不是由露水凝固形成的，而是由空气中的水蒸气在环境温度降到冰点以下凝华而成。

露水形成是因为空气中水蒸气达到饱和，也就是空气再也容不下 这么多水蒸气了，水蒸气就转变为液态水。空气温度越低，空气能够 容纳的水蒸气越少，所以露水也是在气温降低后出现。但是这个温度 要比结霜的温度高，这个温度叫作露点。

温度指什么

我们把标准大气压下冰水混合物的温度定为 0 摄氏度，沸水的温度定为 100 摄氏度，而中间均匀分为 100 份，每份代表 1 摄氏度。按这个规定，冰的熔点是 0 摄氏度，水的沸点是 100 摄氏度。

这里“摄氏”指的是摄尔修斯，他是瑞典天文学家，在 1742 年提出将标准大气压下冰水混合物的温度定为 100 摄氏度，沸水的温度定为 0 摄氏度。在他提出这个方案之后，大家用起来觉得别扭，就把他的方案颠倒了一下，便变成了今天这样的规定。

除了摄氏温度，还有华氏温度，这是德国人华伦海特在 1724 年提出的。他将标准大气压下冰水混合物的温度定为 32 华氏度，沸水的温度定为 212 华氏度，中间等分为 180 份，每一份代表 1 华氏度。美国常用华氏温度而不用摄氏温度。

所以，很容易就得出华氏温度和摄氏温度的换算关系：

华氏温度 =（9/5 )摄氏温度 +32

在物理研究中，通常用开氏温度。这是开尔文勋爵在 1848 年提出的，理论根据是热力学第二定律。开氏温度跟摄氏温度的换算关系是：

开氏温度 = 摄氏温度 +273.15

那么，开氏温度跟华氏温度的换算关系是怎样的呢？小朋友们可以算一算。

温度影响物质的状态

我们发现温度跟物质的状态直接相关。温度高的时候，水是液态或者气态；温度低的时候，水变成固态。这是为什么呢？

我们知道，温度表示的是物质的冷热程度，这是宏观的表现。在微观上，温度代表物质内部分子的运动剧烈程度。温度越高，分子运 动越快；温度越低，分子运动越慢。

固体能够保持固定的形状，液体能够流动，气体能够自由扩散， 没有一定的形状。这都跟分子在不同温度下的运动速度有关。当温度 足够高时，常见的固体物质都会液化、汽化。比如金属钨，熔点超过3400 摄氏度，是熔点最高的金属，其沸点超过 5900 摄氏度。

反过来，当温度足够低时，物质都可能液化乃至固化。比如氦气，常温下是气态，空气里就有很少量的氦气存在。当温度低到 -268.9 摄氏度时，氦气就转变为液态。氦气是地球上最难液化的气体。如果 要把氦气转化为固态，则需要把温度继续降低到 -272.2 摄氏度，而且需要对它加压才行。

那么，温度还能继续降低吗？低温有个极限，叫作绝对零度，就是 -273.15 摄氏度。理论上，达到这个温度时，分子运动就停止了。

再往下降温？不能想象了……

对此有兴趣的小朋友， 可以去查一下热力学第三定律的相关内容。

那么，温度能无限升高吗？

划 重 点

1.物质常见的 3 种状态（气态、液态和固态）的相互转化包括 6 种物态变化：液化和汽化，凝固和熔化，升华和凝华。在相同的压强下，这些变化的主要影响因素是温度。

2.3 种温度单位：摄氏度、华氏度和开氏度。

3.对“露结为霜”的分析。霜是由水蒸气凝华而成， 而不是由露水凝固而成。

本文节选自《给孩子的物理启蒙课》（祝磊 著，中国妇女出版社，2022）

来源: 北京建筑大学祝磊老师