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八年级上册《4.4升华和凝华》

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电冰箱的制冷原理与氟利昂

  我们知道,要想使电冰箱内的温度下降,就必须想办法不断地把电冰箱内的热量移到箱外来,那么用什么办法呢?我们知道,水在标准大气压下的沸腾温度为100℃,即水在100℃时就“开”了。在沸腾过程中,水要吸收大量的热量,由液体变为水蒸气。其中“吸收大量的热量变为水蒸汽”这一特性对我们很有启发。于是我们找到了一种物质,“氟利昂—12”,它不像水那样在100℃时沸腾,而是在-30℃左右的低温下就能沸腾汽化,在汽化的过程中也要吸收大量的热量。我们将这种物质作为电冰箱的制冷剂,让这种液态物质在冰箱的蒸发器内沸腾汽化,吸收箱内的大量热量,使电冰箱内降温。又因氟利昂—12在-30℃左右的低温下就能沸腾汽化,因此电冰箱内的温度就可以降低到很低,例如普通双开门电冰箱冷冻室的温度可以降低到-18℃以下(即三星级标准)。
  为了使汽化后的氟利昂—12还能还原为原来的液体状态重复使用,这一任务是由压缩机及冷凝器来完成的。压缩机通过消耗电能,将汽化后的氟利昂—12压缩成高温、高压蒸汽,并使这种高温高压的氟利昂—12蒸汽,流经设置在箱体外面的冷凝器,就像暖气片散热一样,将在箱内吸收的热量散发到箱体外面空气中,使制冷剂又变成高温、高压液体,这样作为制冷剂的氟利昂—12就可以循环使用了。压缩机不断地运转,电冰箱内的热量就会不断地被移到箱体外空气中去,于是就达到了制冷的目的。电冰箱内还设有一个自动控制系统,通过自行调节这个控制系统,可使箱内保持一定的所需冷藏、冷冻温度。电冰箱外壳内均设有良好的隔热材料,以阻止箱外热量进入箱内。

萘丸和樟脑丸

  以前市场上出售的卫生球,实际是萘丸,它是以从煤焦油中分离提炼出的精萘为原料压制而成的,虽有防虫、防蛀、防霉作用,但有一定毒性。它能干扰红血球内氧化还原作用,妨碍一些重要物质的生成,因而影响、破坏红血球细胞膜的完整性,还可能导致溶血性贫血。萘丸中毒症状为恶心、呕吐、腹痛、腹泻、头晕、头痛等。长期与萘丸放在一起的衣服,婴儿穿后会引起黄疸病,有的甚至有生命危险。因此,萘丸不适合在人们日常生活中使用。国家工商行政管理局于1992年1月发出“关于制止以萘丸冒充樟脑丸坑害消费者行为的通知”以保护广大群众的身体健康。
  樟脑丸的原料是从樟树的枝桠、木片、根部、樟叶及樟油中提炼出来的,还有的是以松节油为原料制成的合成樟脑。这两种樟脑丸符合国家药典标准,对人体无毒无害,具有防虫、防蛀、防霉、防腐等许多优良性能,对保存衣物、书籍、文物和动物标本均有良好效果。
  要注意区别萘丸与樟脑丸。萘丸具有强烈的煤焦油气体臭味,是白色挥发性晶体,不透明,在常温下易挥发,萘的氧化物是锈状物,接触白衣料会使之变黄。樟脑丸则有较强的清香味,并有清凉感,它是白色粉状晶体,透明或半透明,在常温中易挥发,它的氧化物不会使衣服变色。

物态变化
  物质可以从固态直接变成气态发生升华,这一过程需要晶体向外界吸收热来实现。而它的相反过程是气态物质对外界放出热,凝华成固体。这两种物态变化最突出的标志就是不经过液态,而直接在固态和气态间发生。例如:衣柜中的樟脑球日久变小;冰冻的湿衣服,在寒冬中也会干。表明樟脑球的冰等物质发生了升华现象。深秋野外的早晨、叶结一层白霜;严冬北方湖水、江水边的树上会出现晶莹美丽的冰树挂。这都是空气中的水蒸气凝华的结果。          
  “白气和雾都是水蒸气液化成小水珠浮游在空气中形成;冰花是空气中的泄气运动时碰到低温玻璃,放热凝华成小冰晶附着在玻璃上形成;冰可以升华,雪人变小就是这个缘故;洒的水变干是液态水变为气态,而水结冰则是由液态变为固态的过程。
  利用物态特点在我们日常生活中的应用是很多的例如:冷藏运输车利用干冰(固态二氧化碳)升华吸热,使车内致冷,温度下降达到冷藏目的,舞台上的烟幕生成,也是靠干冰升华吸热,使空气中的泄气液化形成雾,看起来象烟雾、白云。
  在20世纪后半期热管——这种热传递的冠军研制成功。如图所示,它是一根两端封闭的金属管,管内衬了一层多孔材料,叫吸收芯。吸收芯中间充有酒精或其它液体。当对管的一端加热时,这端的吸收芯中的液体吸热而汽化,蒸气跑到冷端放热液化,形成的冷凝水进入吸收芯,通过毛细现象回到热端。反复徨,热管中的液体不断通过汽化、液化,把热传到冷端。一根0.8米长直径2.5厘米的热管,质量不到1千克。而它传热本领相当于直径2.7米,质量为40吨的铜柱所传递的热。

雪的形成和种类
  我们都知道,云是由许多小水滴和小冰晶组成的,雨滴和雪花是由这些小水滴和小冰晶增长变大而成的。那么,雪是怎么形成的呢?
  在水云中,云滴都是小水滴。它们主要是靠继续凝结和互相碰撞并合而增大成为雨滴的。
  冰云是由微小的冰晶组成的。这些小冰晶在相互碰撞时,冰晶表面会增热而有些融化,并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次,冰晶便增大了。另外,在云内也有水汽,所以冰晶也能靠凝华继续增长。但是,冰云一般都很高,而且也不厚,在那里水汽不多,凝华增长很慢,相互碰撞的机会也不多,所以不能增长到很大而形成降水。即使引起了降水,也往往在下降途中被蒸发掉,很少能落到地面。
  最有利于云滴增长的是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候,对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华,而过冷却水滴却在蒸发,这时就产生了冰晶从过冷却水滴上"吸附"水汽的现象。在这种情况下,冰晶增长得很快。另外,过冷却水是很不稳定的。一碰它,它就要冻结起来。所以,在混合云里,当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候,就会冻结沾附在冰晶表面上,使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时,便落到地面,这就是雪花。
  在初春和秋末,靠近地面的空气在0℃以上,但是这层空气不厚,温度也不很高,会使雪花没有来得及完全融化就落到了地面。这叫做降"湿雪",或"雨雪并降"。这种现象在气象学里叫雨夹雪
  同样雪的大小也按降水量分类. 雪可分为小雪,中雪和大雪三类,

种类

小雪

中雪

大雪

24小时降水量

2.5以下

2.6-5.0

大于5.0

12小时降水量

1.0以下

1.1-3.0

大于3.0

  雪花的形状
  雪花的形状极多,而且十分美丽.如果把雪花放在放大镜下,可以发现每片雪花都是一幅极其精美的图案,连许多艺术家都赞叹不止。但是,各种各样的雪花形状是怎样形成的呢?雪花大都是六角形的,这是因为雪花属于六方晶系。云中雪花"胚胎"的小冰晶,主要有两种形状。一种呈六棱体状,长而细,叫柱晶,但有时它的两端是尖的,样子象一根针,叫针晶。别一种则呈六角形的薄片状,就象从六棱铅笔上切下来的薄片那样,叫片晶。
  如果周围的空气过饱和的程度比较低,冰晶便增长得很慢,并且各边都在均匀地增长。它增大下降时,仍然保持着原来的样子,分别被叫做柱状、针状和片状的雪晶。
  如果周围的空气呈高度过饱和状态,那么冰晶在增长过程中不仅体积会增大,而且形状也会变化。最常见的是由片状变为星状。
  原来,在冰晶增长的同时,冰晶附近的水汽会被消耗。所以,越靠近冰晶的地方,水汽越稀薄,过饱和程度越低。在紧靠冰晶表面的地方,因为多余的水汽都已凝华在冰晶上了,所以刚刚达到饱和。这样,靠近冰晶处的水汽密度就要比离它远的地方小。水汽就从冰晶周围向冰晶所在处移动。水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分,并在这里凝华而使冰晶增长。于是冰晶的各个角棱和凸出部分将首先迅速地增长,而逐渐成为枝叉状。以后,又因为同样的原因在各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来。与此同时,在各个角棱和枝叉之间的凹陷处。空气已经不再是饱和的了。有时,在这里甚至有升华过程,以致水汽被输送到其他地方去。这样就使得角棱和枝叉更为突出,而慢慢地形成了我们熟悉的星状雪花。
  上面说的实际上是一个典型的星状雪花的形成过程。它的相当部位,不论形状或大小,都应当是相同的。这种典型的星状雪花只有在一个理想的、平静的环境中(譬如在实验室内)才能形成。在大气中,它不能象上面说的那样有步骤地增大,所形成的形状也就不能那样典型。这是因为冰晶逐渐在下降着,而且有时在旋转着,各个枝叉接触水汽的多少有所不同,而那些接触水汽较多的枝又便增长得较多。因此,我们平常所看到的雪花虽大体上一样但又互不相同。
  另外,雪花在云内下降的过程中,也会从适宜于形成这种形状的环境降到适宜于形成另一种形状的环境,于是便出观了各种复杂的雪花形状。有的象袖扣,有的象刺猾。即使都是星状雪花,也有三个枝叉的、六个枝叉的,甚至有十二个枝叉、十八个枝又的。
  以上所述都是单个雪花的情况。在雪花下降时,各个雪花也很容易互相攀附并合在一起,成为更大的雪片。雪花的并合大多在以下三种情况下出观。(1)当温度低于0℃的时候,雪花在缓慢下降的途中相撞。碰撞产生了压力和热,使相撞部分有些融化而彼此沾附在一起,随后这些融化的水又立即冻结起来。这样,两个雪花就并合到一起了。(2)在温度略高于0℃的时候,雪花上本来已覆有一层水膜,这时如果两个雪花相碰,便借着水的表面张力而沾合在一起。(3)如果雪花的枝叉很复杂,则两个雪花也可以只因简单的攀连而相挂在一起。
  雪花从云中下降到地面,路途很长,在条件适合时,可以经多次攀连并合而变得很大。在降大雪的时候,有时有一些鹅毛般的大雪片,就是经过多次并合而成的。
  但是,有时雪花互碰时不是互相并合在一起,而是给碰破了,这时便产生一些畸形的雪花。例如,在降雪的时候,有时会见到一些单个的"星枝",就属于这种情况。
空气中水蒸气凝结或凝华的条件
  在一定温度下,空气中能容纳水蒸气的量是有一定限额的。气温越高,空气中能含蓄的水蒸气越多。当空气中的水蒸气达到最高含量的时候,称为饱和状态。气温降低,空气中的水蒸气可以从不饱和状态变成饱和甚至过饱和状态,从而使一部分水蒸气凝结成水或凝华成冰晶。
  空气中水蒸气达到饱和状态以后是否一定会凝结或凝华呢?不一定。有时在纯净的空气中,水蒸气过饱和达到300%~400%的相对湿度,仍不发生凝结或凝华,这是因为还缺少凝结或凝华的另一个条件——凝结核或凝华核。可见,空气中的水蒸气发生凝结或凝华,不仅要求水蒸气处于饱和状态,而且还要求具备凝结核或凝华核这个条件。
  在大气中,凝结核一般是不缺乏的,如盐粒、烟粒、尘埃到处都存在。凝华主要发生在细小的冰晶或包有冰衣的微粒上。

来源:中国哲士网

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