《名師這樣教,化學秒懂》:你們仔細觀察這個加熱曲線,不覺得就像是購物中心的手扶梯嗎?

《名師這樣教,化學秒懂》:你們仔細觀察這個加熱曲線,不覺得就像是購物中心的手扶梯嗎?
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我們想讓你知道的是

本書由兩位最受義大利學生歡迎的化學老師共同編寫,用七個章節,將化學元素、反應、氣體、液體、固體、相變、溶液等七大基礎知識,利用生活中的各種實例加以解說,幫你把從沒搞懂的化學概念,一次學起來!

文:拉法艾拉.克雷先茨(Raffaella Crescenzi)、羅伯托.文森茨(Roberto Vincenzi)

潛熱:為什麼冰塊融化,溫度不會上升?

這一小節我想要有一個充滿活力的開始:讓我們拿出一些固體的東西,然後加熱它們!

先從最普通的冰塊開始,就是你們從冰箱裡可以找到的普通冰塊;是的,就是爸爸用來做雞尾酒的那種。把它們放在一個又大又結實的鍋子裡,然後在裡面放一個溫度計。現在,拿出你們所有的耐心,記錄下每個時刻的溫度。

顯然,鍋裡的冰塊會融化得很快,但是請大家注意,因為真正偉大的科學發現來了:鍋裡的溫度計始終保持在0℃,儘管我猜你們家裡至少有18℃,但溫度居然停在0℃不動了!不,溫度計沒有壞,是因為冰的溫度的確沒有變化。化學家把這種現象稱之為「熱滯」。

只有在最後一個冰塊融化後,水溫才會慢慢恢復到你們家裡的溫度。如果你們不想因為不停打哈欠而扭傷下巴,就讓我們面對現實吧,這不是一個短暫的過程,我建議你們先去吃點零食,或者去散散步也可以,反正一旦水溫達到你們廚房裡的室溫,它就不會改變了。

現在請把裝了水的鍋子放在爐子上,開始加熱並記錄下水的溫度變化吧!40℃,50℃,70℃,90℃,100℃,水開始沸騰了,我想你們已經預料到了。但是然後呢? 105℃嗎? 110℃嗎 ?不,並沒有。

溫度會一直保持在100℃,儘管你們試著加大火力,結果還是一樣,水溫仍然沒有超過100℃。大家應該也知道,就算用噴火器去燒也是沒用的,在所有的水變成蒸氣之前,它的溫度永遠不會超過100℃。孩子們,這是你們遇到的第二個熱滯現象。

但是這還沒有結束,如果你們廚房的門窗和我的廚房一樣是密封的,水蒸氣出不去,整個房間就會瀰漫著水蒸氣。

現在水已經完全從鍋裡蒸發了,你們會發現自己被一團水蒸氣淹沒,而鍋是空的,火還在繼續燒著。這個時候已經蒸發成水蒸氣的水又開始升溫了:110℃,120℃,150℃……完美!是時候把火撲滅,離開廚房了,否則要是燒傷了,這本書就沒辦法讀完囉!

現在,我們一起來思考一下:為什麼冰融化或水沸騰時的溫度都沒有上升?是不是有什麼東西把熱量帶走藏起來了?

很好!爐子產生的熱量,其實是被水吸收後,水分子獲得了相應的能量,使連接它們的分子間作用力被一個接一個的破壞了,讓水分子從固體變成液體,然後又從液體變成水蒸氣。

下面我用化學術語說給你們聽:
(也就是老師向學生提問時最想聽到的回答)

它們分別被稱為熔化潛熱和汽化潛熱,也就是1g固體在熔化的溫度下熔化所需要的熱量,或是1g液體在沸騰的溫度下變成水蒸氣所需要提供的熱量。

加熱曲線,就像搭手扶梯

拿起你們的筆、紙和尺,我們將為之前的實驗畫一張漂亮的圖表。首先是笛卡兒座標系:在縱座標上寫下溫度T,在橫座標上寫下時間t。好吧,好吧,我知道你們可能不太記得笛卡兒座標系了,但別擔心,你們很快就會搞懂的。

我們起點的溫度是零下的溫度,因為一杯合格的莫希托雞尾酒必須是又美味又冰鎮的!等我們到了0℃時溫度保持不變,隨著時間的推移,什麼也沒有發生,呈現一條水平線。

待鍋裡的冰塊全部融化後,溫度開始升高,往上,往上,一直升到100℃,因為我們把爐子的火開得非常大。在到達100℃時,溫度再一次保持不變,直到所有的水都蒸發掉,溫度才會又開始上升。熱蒸氣的溫度從110℃,到150℃,再到200℃!大家迅速撤離廚房!

現在你們仔細觀察這個曲線,不覺得就像是去購物中心的時候嗎?當然,這是一個非常奇怪的購物中心,有一個壞了的恆溫器,而店鋪樓層的大小和自動扶梯的長度,取決於比熱,熔化和汽化的潛熱。

加熱曲線,就像搭手扶梯
Photo Credit: 大是文化出版

別用你們那又大又笨的眼睛看著我!來吧,把你們的自行車停好,我們一起去兜風。

現在大家想像一下這樣的場景:你們鎖好了自己的自行車,以固體的形式從地下車庫出來,在一樓的商店停了下來,並保持你熔化時的溫度。一旦你們完全熔化了,你們就會像快樂的液體一樣從電扶梯上升到二樓,也就是到達你們蒸發的溫度。你們慢慢的旋轉著,釋放出蒸氣,當所有的液體都蒸發了,你們就會以氣體的形式上升到更高的地方。

叮咚,叮咚!商場就要關門了,你們這些優雅的氣體,慢慢的又回到二樓的液態狀態,通過電扶梯的同時漸漸失去熱量。接著停在你們液化時的溫度上,直到你們完全變成液體;最後在你們凝固的溫度下,又從電扶梯滑回一樓。一旦你們又恢復到固體狀態,就走回地下車庫。但別告訴我,你們自行車的鑰匙忘在蒸氣那一層了!

凝華與昇華:固態與氣態的直接轉化

大家都知道樟腦丸吧?是啊,就是奶奶在衣櫃裡放的那些又臭又小的球球,不過要小心,它們不僅能趕走飛蛾,可能也會趕走靠近你的可愛美女唷!

樟腦丸是固體物質,當加熱後會直接變成氣態。這就好像是在購物中心,不用搭電扶梯一層一層上樓,而是乘坐電梯直接到三樓一樣。

下面我用化學術語說給你們聽:
(也就是老師向學生提問時最想聽到的回答)

從固體狀態直接變成氣態的轉化過程叫做「昇華」,而相反的過程叫做「凝華」。

從今天開始,當你們看到草坪上結滿了霜,你們就可以昂首闊步,自豪的說:這是夜間的水蒸氣直接變成了冰;它搭了電梯,跳過了變成液態水的中間過程。

因為固體昇華時,它的蒸氣壓與外部壓力相等,而昇華的一個有效方法,就是降低它的外部壓力。

如果我們降低壓力,冰也會發生昇華現象;我們吃的各種肉鬆,和媽媽做飯時用來調味的固體雞湯塊,就是這樣做出來的。把物質溶入到水中,冷凍,然後用神奇的「抽氣機」使壓力下降。這樣,所有的冰都昇華了,剩下的就只有泡沫狀的粉末,裡面有之前溶進去的所有物質,但是它脫去了所有的水分,這樣就可以保存很長時間。