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如果將液氮密封在拇指大小的鋼塊中,能否實現(xiàn)永凍的效果?

2023-08-11 09:59:16

我們在日常生活中估計接觸到液態(tài)氮的機(jī)會比較少,但是一些電腦發(fā)燒友或者實驗工作者可能會常常用到這種東西。氮氣由于無色、無味、沒有腐蝕性、也不支持燃燒,化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定,因此將其制作成為液態(tài)進(jìn)行保存,在食品冷藏、冶金、醫(yī)療以及作為保護(hù)氣等方面都有著相當(dāng)廣泛的用途。在網(wǎng)上一些腦洞大開的朋友,還做過液氮冷凍魚類、冷凍蟑螂等等比較奇葩的實驗,將液氮作為挑戰(zhàn)生物生存極限的特殊物質(zhì),依靠液態(tài)創(chuàng)造了很低的溫度。下面就讓榮耀氣體來講一講它吧!

那么,如果將液態(tài)氮密封在一個拇指大小的鋼塊中,因為完全密封,是否可以當(dāng)作永久性冰塊呢?在理論情況下,所有物質(zhì)在一定的溫度和壓強(qiáng)之下,會呈現(xiàn)出固有的不同相態(tài),即我們常見固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。比如,水在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓之下,0攝氏度就是它的冰點,是固態(tài)和液態(tài)的臨界溫度;100攝氏度是它的沸點,是液態(tài)和氣態(tài)的臨界溫度。我們只要相應(yīng)地改變物質(zhì)所處環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)組合,就會有幾率改變物體的相態(tài)。這一點很重要,因為無論是對于我們常規(guī)下看到的是氣體、液體,還是固體,在不同的溫度-壓強(qiáng)的組合條件下,我們就能夠判斷出這個物體所處的狀態(tài),水是我們研究相對透徹的物質(zhì),比如在100攝氏度、10個標(biāo)準(zhǔn)氣壓下水仍然為液態(tài);在200攝氏度、10萬個標(biāo)準(zhǔn)氣壓下呈現(xiàn)的為固態(tài)。

所以說,系統(tǒng)的溫度,并不是判定物質(zhì)存在狀態(tài)的唯一依據(jù)。對于氮氣也一樣,在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,-210攝氏度是它的冰點,在此之下就會呈現(xiàn)固態(tài),在-210攝氏度到-196攝氏度之間呈現(xiàn)液態(tài),而在-196攝氏度以上,它就會轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。在制造液態(tài)氮時,常用的方法就是在常溫下對氣體進(jìn)行壓縮,通過增加壓強(qiáng)的方式使之氣體轉(zhuǎn)化為液體,然后通過管道輸入到液態(tài)罐中加以貯存。液態(tài)氮所處的環(huán)境壓力不足以支撐其相態(tài)時,體積就會發(fā)生膨脹,在此過程中就會發(fā)生氣化吸熱現(xiàn)象,即從周圍的環(huán)境中吸收大量的熱量,從而為空氣分子的內(nèi)能增加注入能量。按照能量守恒定律,能量不會無緣無故地產(chǎn)生,也不會無緣無故地消失,因此,在氮氣分子內(nèi)能增加的同時,系統(tǒng)內(nèi)周圍環(huán)境中的熱能就會減少,表現(xiàn)出溫度降低的結(jié)果,這也是使用液態(tài)氮可以進(jìn)行有效降溫甚至冷凍周圍物體的原理。

那么,假如貯存液態(tài)氮的容器完全密封,是不是可以持續(xù)這種冷凍效果呢?答案是顯然不能,因為任何物質(zhì)都不能至始至終地吸熱,也不能至始至終的一直放熱,這是由能量守恒定律決定的。液態(tài)氮只所以能夠吸收熱量,剛才說了,是在氣化的過程中發(fā)生的,這是一種主動的吸熱過程,而如果我們確保貯存液態(tài)氮的容器是完全封閉的,那么這個氣化吸熱的過程,不會像我們打開閥門那樣迅速地發(fā)生,而是一個相對非常緩慢的過程。

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