Web教材水的状态变化

Ver 1.00 (2006/9/27)

冰的溶解 水的汽化(沸腾)
  冰(固体)            水(液体)          水蒸气(气体)

用原子・分子的动画表示冰的融化・水的汽化(沸腾)。
能详细观察到融化・汽化起来着的「精采处」。

观察物质原子 分子等的运动状态在现有的条件下是很难办到的。 所以用计算机模拟的计算结果做成动画,并且可以简单的连接观看。

制作本教材的想法是为了,小 初中生理科授课中,对于抽象的融化 汽化 凝固(分子 原子状态)的运动,能够非常好的理解。

本教材的动画, 2004年11月国立科学博物馆也被展示.
具体情况这边点击。

在教材的原子・分子的运动,不是单纯的想象上的东西,
是通过精密分子构造和化学结合・分子间力的模型
忠实的遵从物理学(力学)的法则通过计算机的计算再模拟。
详细「「所谓分子动力学法请参照」。


1.首先 ―物质的三种状态-

世间的物质都是由小粒子组成,,小粒子注1根据集聚的事能着.根据粒子的排列情形,物质可以分成固体液体气体3个状态.

  1. 固体中,粒子们互相紧密地连结,按规则排列着.当然这些粒子不是不动的,而是各自做着热振动.
  2. 液体中,粒子们互相吸引的同时也在向各个方向做某种程度的回转摆动.
  3. 气体中,粒子是散乱的状态,以飞来飞去.

固体的温度上升的话,热振动变得更加激烈,最终粒子开始做某种程度的回转摆动,变成液体. 这叫做融化.

随着液体温度的上升,粒子的运动全体越发变得剧烈 在液体表面进行剧烈运动的粒子,甩开粒子间互相拉力,飞到空中成为气体. 这叫做蒸发
如果温度接着上升的话,液体内部也开始甩开周围粒子们互相拉的力量,气体(泡)的出现. 这叫做沸腾
蒸发和沸腾的总名称叫做汽化

教材,水的状态变化

  固体的冰冰融化的计算 液体的水 气体的水蒸气
        融化     汽化(沸腾)

原子・分子状态的动画注2可以观察的到.

注1: 这个 「小粒子」,分子,原子,离子,
 譬如,

  • 水(固体的冰,液体的水,气体的水蒸气) 水分子(H2O)集聚在一起.[中1左右学习]
  • 金属的铁 铁的原子(Fe)集聚在一起.[中2左右学习]
  • 氯化钠(食盐)钠离子(Na+)氯化物离子(Cl-与)集聚在一起.[中3左右学习]

注2: 分子动力学法被称呼为computer simulation然后用它计算的结果做成动画.
 动画片中运动和现实比非常缓慢.(以AVI形式的动画片来讲,是现实的时间流动的1兆7000亿分之一.)

因为动画片文件的下载花费时间.
如果是个人非营利目的使用,或在学校授课的使用,可以在自己的计算机上保存了・图・动画的文件之后再利用就可以了.

为了观看AVI形式的动画


2.冰融化的计算

由96个H2O分子由(= 192个的H原子+ 96个的O原子)组成的冰,在80℃(= 353 K)的情况下.
约40 ps注3 (= 40×10-12在秒)后融化开始,内部能源 E 及密度 D 的上升发生.

拡大図を表示する

融化之前的冰








在变成冰的过程H原子O原子,剧烈地热振荡.
更激烈地点在哪边?
我们和容易看到水分子(H2O是以六角形排列.

动画的间隔0.02 ps注3 (= 0.02×10-12秒)相当于.

稍微长一点的动画(6.7秒钟)观看 (AVI形式, 4.1 MB)

刚刚融化了的水















水分子(H2O游动的情况.可以看到变成液体的水了.

稍微长一点的动画(6.7秒钟)观看 (AVI形式,4.8 MB)

发生融化的情况

那么试着观察,发生融化的时候的情况吧.
开始的里面构成结晶H原子O原子只是在做激烈地热振荡,在过了3分之2时间的附近结晶很快地崩塌了.
发生融化情况的动画(27秒钟)观看 (AVI形式,17 MB)

注3: ps (微微秒)
 是时间的单位,1 ps 10-12秒相当于秒的 1兆分之一.


3.液体的水汽化(沸腾)的计算

96个H2O分子由(= 192个的H原子+ 96个的O原子)变成的液体的水,保持在300℃(= 573 K)的时候.
随着时间,内部能源 E 一点点上升,密度 D 减少.
汽化开始了.

拡大図を表示する

汽化开始的情况

















最初,水分子(H2O)一边保持一定的距离一边游转着.

















很快,分子间的距离扩大的同时,全体的体积也增大.

















然后,可以看到几个分子时常一直飞来飞去的情况.

稍微长一点的动画(1分21秒钟)观看 (AVI形式,30 MB)

  1. 观看看全体.H2O每个分子都激烈的运动着.
  2. 其中的1个分子H2O请用眼睛跟踪着看.是否看到有趣的运动.
    (做着怎样的运动呢?一直飞着吗?
    为什么做这样的运动呢?重复观察并考虑.)


Copyright by

高知大学教育学院赤松研究室 赤松 直 南场 功充
岐阜大学教育学院川上研究室 川上 绅一
东京工业大学地球行星科学专攻河村研究室 河村 雄行

合作者

产业技术综合研究所测量国境研究部门 泽口直哉

中文网页翻译者

高知大学教育学院赤松研究室 田 伟