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重現化學

美麗科學與澳门威尼斯棋牌官网合作項目重現化學 | 《降溫》

發布時間:2019年08月30日 來源:澳门威尼斯棋牌官网

眼看就要進入9月,經歷了酷暑的我們終于盼來了涼爽的天氣。除了季節交替引發的降溫過程,你還知道哪些自發降溫過程?讓我們一起來看看視頻中5個讓人感覺冰爽的實驗吧!

 

 

△ 《重現化學 | 降溫》

 


 

蒸發

蒸發可以吸熱,最常見的例子就是我們通過排汗和汗液蒸發給自己降溫。狗在夏天吐舌頭也是在利用蒸發進行降溫。冰箱和空調的降溫原理,也利用了蒸發過程:首先把制冷液壓縮成液體,然后使制冷液的快速氣化(蒸發)達到制冷效果。
 

△我們依靠汗液蒸發給身體降溫

(攝影:Linus Schütz/Pixabay)

 

△狗通過吐舌頭蒸發口水降溫

(攝影:Manfred Richter/Pixabay)

 

另外,蒸發更快的液體,降溫也會更明顯,比如乙酸乙酯的蒸發比水快,視頻中用熱成像展示它們明顯的溫度差別。生活中,我們用酒精給皮膚消毒時,會覺得酒精比水更涼一些,這是因為酒精比水蒸發快。

 

 

融化

冰融化吸熱,這很好理解:夏天我們常把冰塊加到飲料中給飲料降溫。冰融化變成水,而冰水混合物的溫度通常是0攝氏度(后面我們把“攝氏度”簡稱為“度”),因此冰融化的過程基本保持在0度。可否讓冰融化的過程產生低于0度的溫度?或者說,可否讓冰塊在低于0度的條件下融化?

 

△冰鎮飲料

(攝影:Jana V. M./Pixabay)

 

可以的,一個簡單的辦法就是像視頻里面那樣,在冰塊上撒鹽。我們看到,撒鹽的地方溫度會降到零下十幾度。

 

 

我們可以從兩方面理解這個現象。首先鹽會加速冰的融化,下雪天我們在路面撒鹽是相同目的。快速融化會吸收大量的熱量,導致溫度降低到零度以下。另外融化的水會將鹽溶解,所以在冰的表面并不是冰水混合物,而是冰-鹽水混合物。冰-鹽水混合物不容易結冰,其冰點比水更低,所以我們可以得到低于零度的冰-鹽水混合物。

△冬天路面撒鹽加快冰雪融化

(攝影:Jerzy Górecki/Pixabay)

 

在化學實驗室里,如果我們希望一些化學反應在低于零度的條件下進行,也可以把冰塊和食鹽混合起來,做成“冰鹽浴”,然后把需要冷卻的容器放入其中。但大家切記不要用冰鹽浴來冰敷消腫,可能會引起凍傷。

 

溶解

溶解過程既有放熱使溶液溫度升高的(如氫氧化鈉溶解),也有吸熱使溶液溫度降低的(如視頻中的尿素溶解)。

 

一次性醫用冰袋就是利用了溶解吸熱的原理。冰袋內裝有水和一種無機鹽(通常是氯化銨或硝酸銨),彼此通過隔離層分離。使用時通過揉搓或擠壓破壞隔離層,使無機鹽在水中溶解,吸收大量的熱量,達到降溫的目的。

 

 

吸熱反應

可以自發進行的吸熱反應并不多見,影片中我們展示了兩個,八水合氫氧化鋇和氯化銨的反應以及小蘇打(碳酸氫鈉)和醋(有效成分是乙酸)的反應。在演示八水合氫氧化鋇和氯化銨的吸熱反應時,通常會把反應容器放在一個濕潤的木塊上,反應降溫可以把容器和木塊凍在一起,達到很好的演示效果。

 


 

這兩個反應可以很好的展示熱力學原理。因為熱力學原理比較深奧,這里我們只做非常粗淺的介紹。

通常來講,自發的化學反應會向能量更低的方向進行,產物的能量低于反應物,反應會放出熱量,也就是我們說的放熱反應但自發進行的吸熱反應要從環境吸收熱量,導致產物的能量升高。為什么這樣的反應能發生呢?

這是因為產物熵的增加(熵越高表示系統的無序程度越高)。仔細觀察這兩個反應,它們都有氣體(分別是氨氣和二氧化碳)和液體(水)產生。因為氣體和液體中分子的無序程度要高于固體中分子的無序程度,這兩個反應都導致了系統的熵增加,所以也可以自發進行。

 


 

影片幕后

《重現化學 | 降溫》是2017年11月發布的《重現化學 | 放熱反應》的續集。除了內容的互補,在制作過程中,我們做了如下優化。

1. 更吸引人的可見光鏡頭。在策劃階段,我們特別注意拍攝對象不但可以在熱成像下觀察到明顯的降溫,在可見光下也需要有比較高的“顏值”。另外超微視角和移動鏡頭的運用,也給可見光鏡頭增色不少。

 

 

2. 增加紅外熱成像的特寫鏡頭。利用特殊熱成像微距鏡頭,我們近距離拍攝吸熱過程。不同景別的熱成像鏡頭,讓觀察更真切、更生動。

 

 

攝影/文字:梁琰

插畫:董逸涵

 

重現化學是美麗科學和澳门威尼斯棋牌官网的合作項目,也是2019年度科普中國孵化支持項目。

 

 

 

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