幹冰升華時周圍的不是液態的“霧”

廣州番禺王耀強

一、相關現象:

1、實驗現象一:幹冰放在金屬平板上,感覺很是滑溜的。與冰塊不同,幹冰的表面是沒有液態物質來潤滑的。

那是由於金屬的導熱性能較好,幹冰能通過金屬平板迅速從周圍吸收更多的熱量,升華後不斷迅速產生的二氧化碳氣體使幹冰周圍形成氣墊,減少瞭幹冰與金屬板之間的壓力,從而減小摩擦力。

實驗現象二:幹冰放入金屬器皿中發出尖銳的聲音,是因為快速生成的二氧化碳氣體使幹冰與器皿高頻率撞擊產生的。

可見,產生的二氧化碳氣體很快速、頻密,量也不少。

實驗現象三:保存幹冰常用泡沫箱子,原因是泡沫的導熱性弱,能減緩幹冰的吸熱,從而減慢升華。

2、易拉罐裡放入幹冰,外壁結霜。而易拉罐裡放入冰塊,外壁生成水珠。

冰塊的溫度並不是很低,它周圍的“白汽”常是小水珠。

把冰塊裝入空易拉罐中時,罐外壁形成的也常是水珠。

而幹冰的溫度很低,負幾十攝氏度,水蒸氣急劇遇冷,形成的“白煙”是小冰晶。

把幹冰裝入空易拉罐中時,罐外壁形成的是霜。

而且,由於對光的反射率的差異,白汽與白煙在視覺上也有明顯區別:

白汽的透明度較高,觀感上呈淡淡的霧狀。

白煙的透明度低,觀感上呈清晰的濃濃奶白色。

3、凝華的兩種方式:

(1)對於外界壓強低於三相點的物質,如幹冰的制造:加壓、降溫。

常壓下需要冷卻到-78.5℃,如果加壓到5個標準大氣壓的話,隻需要冷卻到-56.6℃低一點即可。

同樣,常壓下,幹冰升華點是-78.5℃。

(2)對於外界壓強高於三相點的物質,如水蒸氣的凝華。

對於這種氣體,要變成固體,通常是先液化再凝固。

但如果驟然急劇遇冷,可以直接凝華。

(3)同理,幹冰的升華,與冰、碘、樟腦丸、鎢絲等的升華,形成機制也是不同的。

碘的三相圖

所以由於冰、碘的三相點低於標準大氣壓,所以它們有熔點和沸點,沒有升華點。

升華成因是由於“表面”蒸氣壓小於飽和蒸氣壓。

現象特征:變化過程相對緩慢,沒有確定的升華點,類似汽化中的蒸發。

而二氧化碳的三相點高於標準大氣壓,所以它有升華點,是非常典型標準的升華類型。二氧化碳沒有熔點和沸點。

升華成因是由於飽和蒸氣壓大於外界大氣壓。

現象特征:變化劇烈,有確定的升華點,類似汽化中的沸騰。

二、幹冰放入水中,產生的“白汽”比在空氣中時多得多。為什麼?

那些不是“白汽”,不是小水珠,而是由液態水變成的小冰晶,是白煙而不是白霧。

水中產生大量奶白色的氣泡,裡面是二氧化碳氣體和小冰晶。

實驗中的物態變化過程:

1、第一階段:

幹冰在水中升華比空氣中快很多(幹冰塊迅速變小),原因是幹冰能從水中吸收到的熱量更多更快。

那麼水被大量吸熱後,隻能變成什麼?

當然是凝固為冰,因為幹冰的升華點遠低於水的凝固點。

但是實驗中看不見冰塊,怎麼回事?

包圍幹冰的水剛剛凝固為一層很薄的冰皮或是一片片薄冰片,冰片還沒來得及變厚(水的熱導率不算大)就被大量快速生成的二氧化碳氣體沖擊碎成冰粉,並被二氧化碳氣體帶出水面,冒出大量白煙。

幹冰的密度比水大,這時沉到水底。

2、第二階段:

產生的二氧化碳氣體較少,不能把形成的冰片全部沖散沖走,於是就能凝固為稍厚的冰層,並且可以繼續長厚。

但冰層並不是完全密封的,畢竟裡面的二氧化碳氣體總得有空隙釋放出來。所以,冰層是充滿“酥松”的小洞。

冰層形成後,白煙很明顯的減少。

3、第三階段:

當幹冰和冰殼的整體平均密度小於水時,幹冰浮上水面。

這時,還有很少量的二氧化碳氣體從冰殼的小洞逸出,使幹冰在水面遊動轉圈。

4、第四階段:

幹冰基本沒有瞭,隻剩下酥松的冰殼(掰開的話會發現裡面是中空的,因為幹冰已經通過小洞跑光瞭)。

由於沒有二氧化碳氣體產生瞭,這時冰殼浮在水面不能動瞭。

5、第五階段:

剩下的冰殼熔化,而且熔化速度比平常顆粒大小相似的冰粒快一點,原因是冰殼是中空且酥松的。

三、驗證實驗:

1、操作:用薄塑料袋包著幹冰,紮緊,讓塑料袋緊貼幹冰,袋上穿一個小孔讓二氧化碳氣體跑出來。

然後把袋子浸沒水中。

(圖中實驗,用黑色塑料袋包著幹冰,然後用鉤碼壓在水中)

現象:袋子外表面結冰,但冒出的氣泡清澈幹凈,水中和空氣中都沒有白煙。

結論:(1)白煙來自於冰。

(2)冒出水面的二氧化碳氣體沒有導致空氣中的水蒸氣液化

2、驗證第四階段中,浮上水面的中空物體是幹冰還是冰殼。

操作:取出該物體,擦幹凈放在紙上,看最後產物是水還是氣體。

3、冒出水面的“白汽”,是小冰晶還是小水珠?

如果冒出的是小冰晶,升出水面後,是熔化為小水珠,還是直接升華為水蒸氣?

操作:拿一張紙,放在水面的上空,過一會,觀察紙上是否出現水跡。

解釋:幹冰吸熱量大,如果冒出來是小水珠,或者小冰晶熔化的小水珠,產生這麼大量的小水珠,紙張將會很快濕潤。

現象:紙張的下表面隻有隱隱一絲的水跡,上表面始終沒有出現水跡。

結論:冒出水面的是小冰晶,而且後來主要直接升華為水蒸氣。

還有,小冰晶升華也沒有導致空氣中的水蒸氣液化。

4、油中的幹冰:

現象:隻看到清澈的二氧化碳氣泡,沒看到粉狀物質,油溫沒有明顯變冷。

幹冰逐漸被凝固的油塊包住,升華被阻礙。

結論:

(1)由於油的粘性大,二氧化碳氣體不能擊碎凝固的油。

(2)證明液體中的幹冰不會導致空氣中的水蒸氣液化(否則油面上空出現白霧),而是導致液體凝固。

5、無水乙醇中的幹冰(實驗由陜西王老師設計並完成):

乙醇的凝固點是-114℃,比幹冰的升華點要低,所以不會凝固。

初期,幹冰劇烈升華,但隻是產生少量的白煙,那是乙醇中殘存少量的水所致。

後期,沒有白煙,氣泡清澈,幹冰依然劇烈升華。

隨著乙醇溫度下降,杯子外壁逐漸出現“水珠”。

最後,乙醇溫度進一步下降得很低,杯子外壁出現“霜”。

6、當幹冰較多,水較少的時候:

過一段時間後,幹冰被冰塊包裹住,隻產生少量清澈的氣泡,沒有白煙。

四、相關實驗視頻見於嗶哩嗶哩:

https://www.bilibili.com/video/BV1hG411j78m/

五、延伸問題:舞臺撒幹冰後的是煙還是霧?是水蒸氣的凝華還是液化?

應該是煙,是凝華。

1、“與幹冰接觸”的水蒸氣溫度非常低。

2、煙與霧的“反光率”差異非常明顯,煙是呈明顯“奶白色”的。而霧,除非是非常濃密,否則都是呈現“朦朦朧朧”的視覺。

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