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2013年6月24日 星期一

物質狀態變化的應用

6/25科學補給讚節目後半段是介紹物質狀態變化的應用。水溫降至0時會結冰,而加熱至100會沸騰,但你知道嗎?水也可能不到100度就沸騰了,或是超過了100度還是液態。例如,在海拔8848公尺的埃佛勒斯峰,大氣壓力只有平地的1/3,水加熱到71℃就沸騰,因此在那裡煮東西不容易熟;相反的,氣壓變大時,水超過100度仍然維持液態,且沸點會隨壓力變大而提高,當壓力提高到200大氣壓,沸點會升高至300多度。壓力鍋就是運用「提高壓力使沸點上升」的原理製作的,利用高溫的水,可以大幅縮短食物烹煮的時間。
除了我們熟知的三態外,有些物質介於液態和固態之間,可以像液態一般流動,又同時擁有固態結晶的光學性質,這種物質狀態為「液晶態」,有些科學家將這種狀態稱為第四態。結晶物質近年來廣泛被運用在生活中,尤其是顯示器上,它到底是如何運作的呢?記得準時收看節目喔!
不同狀態下,物體的性質也不相同,但是,有沒有同時具有兩種狀態的情形呢?如果加壓力至220.5大氣壓,並加熱至374.3,氣態水蒸氣與液態水之間的界線消失,形成均勻相的流體,稱為「超臨界流體」,這個狀態下同時具有氣體和液體的性質,可以像氣體一般被壓縮,也可以像液體一樣流動。節目中介紹了二氧化碳的超臨界流體,可以運用在布料的染色和精油的萃取上,到底什麼是超臨界流體?有什麼優點?答案就在節目中,別忘了收看喔!
想進一步瞭解超臨界流體嗎,維基百科有更詳細介紹:
如果你想體驗水不到100度就沸騰現象,下面實驗可以動手做做看:
準備一支去掉針的針筒,將90度以上之熱水抽取至針筒中,將針筒開口封住,拉開針筒使針筒內的壓力急劇降低,接下來可以看見針筒內之水開始起泡沸騰。若無法觀察到明顯的沸騰現象,請檢查水溫是否足夠高溫,或是準備較大支的針筒,操作此實驗時請小心避免被熱水燙傷。

物質的三態

6/25的科學補給讚節目前半部介紹物質的三態,水是地球最容易觀察物質三態變化的物質,冰水及水蒸氣是水的固液及氣態同時存在於地球上。當溫度改變時,三態之間會相互轉變,轉變的過程中,會吸收或是放出熱,例如,冰吸熱變成水,水蒸氣凝結為水的過程中會釋放出熱,水的三態變化調節了地球的熱量,是形天氣變化的主要原因。
我們看到的水其實是由許多的水分子所組成,水分子間存在有相互吸引的力量,但這個力量與分子間距離成反比,液態時分子間距離大,引力不明顯,所以水並沒有固定的形狀。當溫度下降時,水分子具有的能量變小,使得分子間距離減少,分子彼此吸引,無法自由移動,因此冰具有固定的形狀。相反的,當溫度升高時,水分子具有的能量變大,水不僅可以自由移動,且距離也變大許多,因此氣體的體積迅速膨脹,但受到壓力後又可以改變,因此氣態具有可壓縮性。
為什麼不容易見到其他物質的三態變化?這是因為水在100度就發生三態變化,而其他物質的狀態變化溫度差異大,例如,鐵是生活中常見的物質,它的熔點是1536.5,鐵要加熱到超過攝氏1500度以上才會變成液態,因此只有在大型的煉鋼廠中才可以見到液態的鐵;傳統燈泡會使用鎢當燈絲,是因為它的熔點高達3,407℃,即使將它加熱至高溫也不容易因熔化燒壞。

有些物質熔點高,也有些物質的熔點則是非常低,例如,二氧化碳的熔點只有-78.5℃,使用乾冰時一定要做好防護措施,以免凍傷。乾冰在一般大氣壓的環境下並不會變成液態,而是直接變成氣態,這個過程稱為昇華,由於沒有經過液態,所以稱為乾冰。其他常見的氣體如氧氣和氮氣,熔點更低,達零下200度以上,水的三態很容易觀察,但許多物質的三態變化卻需要特殊的條件才可以觀察到,大自然是不是很奇妙呢?