重現(xiàn)化學(xué)

美麗科學(xué)與中國化學(xué)會合作項目重現(xiàn)化學(xué) | 《降溫》
發(fā)布時間：2019年08月30日來源：中國化學(xué)會

眼看就要進入9月，經(jīng)歷了酷暑的我們終于盼來了涼爽的天氣。除了季節(jié)交替引發(fā)的降溫過程，你還知道哪些自發(fā)降溫過程？讓我們一起來看看視頻中5個讓人感覺冰爽的實驗吧！

△ 《重現(xiàn)化學(xué) | 降溫》

蒸發(fā)

蒸發(fā)可以吸熱，最常見的例子就是我們通過排汗和汗液蒸發(fā)給自己降溫。狗在夏天吐舌頭也是在利用蒸發(fā)進行降溫。冰箱和空調(diào)的降溫原理，也利用了蒸發(fā)過程：首先把制冷液壓縮成液體，然后使制冷液的快速氣化（蒸發(fā)）達到制冷效果。

△我們依靠汗液蒸發(fā)給身體降溫

（攝影：Linus Schütz/Pixabay）

△狗通過吐舌頭蒸發(fā)口水降溫

（攝影：Manfred Richter/Pixabay）

另外，蒸發(fā)更快的液體，降溫也會更明顯，比如乙酸乙酯的蒸發(fā)比水快，視頻中用熱成像展示它們明顯的溫度差別。生活中，我們用酒精給皮膚消毒時，會覺得酒精比水更涼一些，這是因為酒精比水蒸發(fā)快。

融化

冰融化吸熱，這很好理解：夏天我們常把冰塊加到飲料中給飲料降溫。冰融化變成水，而冰水混合物的溫度通常是0攝氏度（后面我們把“攝氏度”簡稱為“度”），因此冰融化的過程基本保持在0度。可否讓冰融化的過程產(chǎn)生低于0度的溫度？或者說，可否讓冰塊在低于0度的條件下融化？

△冰鎮(zhèn)飲料

（攝影：Jana V. M./Pixabay）

可以的，一個簡單的辦法就是像視頻里面那樣，在冰塊上撒鹽。我們看到，撒鹽的地方溫度會降到零下十幾度。

我們可以從兩方面理解這個現(xiàn)象。首先鹽會加速冰的融化，下雪天我們在路面撒鹽是相同目的?？焖偃诨瘯沾罅康臒崃浚瑢?dǎo)致溫度降低到零度以下。另外融化的水會將鹽溶解，所以在冰的表面并不是冰水混合物，而是冰-鹽水混合物。冰-鹽水混合物不容易結(jié)冰，其冰點比水更低，所以我們可以得到低于零度的冰-鹽水混合物。

△冬天路面撒鹽加快冰雪融化

（攝影：Jerzy Górecki/Pixabay）

在化學(xué)實驗室里，如果我們希望一些化學(xué)反應(yīng)在低于零度的條件下進行，也可以把冰塊和食鹽混合起來，做成“冰鹽浴”，然后把需要冷卻的容器放入其中。但大家切記不要用冰鹽浴來冰敷消腫，可能會引起凍傷。

溶解

溶解過程既有放熱使溶液溫度升高的（如氫氧化鈉溶解），也有吸熱使溶液溫度降低的（如視頻中的尿素溶解）。

一次性醫(yī)用冰袋就是利用了溶解吸熱的原理。冰袋內(nèi)裝有水和一種無機鹽（通常是氯化銨或硝酸銨），彼此通過隔離層分離。使用時通過揉搓或擠壓破壞隔離層，使無機鹽在水中溶解，吸收大量的熱量，達到降溫的目的。

吸熱反應(yīng)

可以自發(fā)進行的吸熱反應(yīng)并不多見，影片中我們展示了兩個，八水合氫氧化鋇和氯化銨的反應(yīng)以及小蘇打（碳酸氫鈉）和醋（有效成分是乙酸）的反應(yīng)。在演示八水合氫氧化鋇和氯化銨的吸熱反應(yīng)時，通常會把反應(yīng)容器放在一個濕潤的木塊上，反應(yīng)降溫可以把容器和木塊凍在一起，達到很好的演示效果。

這兩個反應(yīng)可以很好的展示熱力學(xué)原理。因為熱力學(xué)原理比較深奧，這里我們只做非常粗淺的介紹。

通常來講，自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)會向能量更低的方向進行，產(chǎn)物的能量低于反應(yīng)物，反應(yīng)會放出熱量，也就是我們說的放熱反應(yīng)。但自發(fā)進行的吸熱反應(yīng)要從環(huán)境吸收熱量，導(dǎo)致產(chǎn)物的能量升高。為什么這樣的反應(yīng)能發(fā)生呢？

這是因為產(chǎn)物熵的增加（熵越高表示系統(tǒng)的無序程度越高）。仔細觀察這兩個反應(yīng)，它們都有氣體（分別是氨氣和二氧化碳）和液體（水）產(chǎn)生。因為氣體和液體中分子的無序程度要高于固體中分子的無序程度，這兩個反應(yīng)都導(dǎo)致了系統(tǒng)的熵增加，所以也可以自發(fā)進行。

影片幕后

《重現(xiàn)化學(xué) | 降溫》是2017年11月發(fā)布的《重現(xiàn)化學(xué) | 放熱反應(yīng)》的續(xù)集。除了內(nèi)容的互補，在制作過程中，我們做了如下優(yōu)化。

1. 更吸引人的可見光鏡頭。在策劃階段，我們特別注意拍攝對象不但可以在熱成像下觀察到明顯的降溫，在可見光下也需要有比較高的“顏值”。另外超微視角和移動鏡頭的運用，也給可見光鏡頭增色不少。