而周圍仍舊幹幹的,不像冰融化後會留下水跡,因而又名“幹冰”。論外貌,幹冰和普通
的冰確實很相像,只是幹冰的溫度要比普通冰更低(壹78.5°C)。在這樣低的溫度下,
難怪鉆探隊員的手會凍壞。幹冰的用途可多呢!可以用作強致冷劑;用幹冰冷藏魚、肉之類食品時,
運輸途中不會弄得到處濕漉漉的;食物在地窖中用幹冰冷藏,可以存放更長時間,
更奇妙的是,在許多影片和電視劇中那些雲霧燎繞的景象也是幹冰的功勞呢!
因為幹冰在空氣中氣化形成大量二氧化碳氣體,呈現在觀眾面前的就是壹片”白茫茫”的景象。
此外,幹冰還是人工造雨的能手呢!
三.二氧化碳與人工降雨
用人為的方法,增加雲中的冰晶或使雲中的冰晶和水滴增大而形成降水。目前人工降雨是壹種用飛機把冷卻劑(幹冰或其他化
學藥劑)撒播到雲中,使雲內溫度顯著下降,使細小的水滴冰晶迅速增多加大,迫使它下降形成降水;另壹種是在雲中撒播吸濕
性強的凝結核 (如食鹽、氯化鈣等),使雲滴增大為雨滴降落下來; 還有利用土炮、土箭向雲層轟擊產生強大的沖擊波,使雲滴與雲滴發生碰撞,合並增大成雨滴降落下來。不論用那種方法進行人工降雨, 雲的存在是首要條件,這是內因;向雲中輸送催化劑則是外因,外因必須通過內因才能起作用。所以人載降雨有壹定的局限性。
人工方法促成雲層產生雨雪。當由過冷卻水滴組成冷雲時,由於沒有冰晶,很難有降水。如果在雲中制造適量的水晶,就會破壞雲的穩定結構,有可能產生降水。基於這壹原理,可以通過飛機或高炮在雲中引入幹冰等致冷劑,利用局部雲體劇烈冷卻而產生冰晶,或者引入碘化銀等人工冰核,由人工冰核產生冰晶。像我國南方夏季出現的大塊積雲,屬暖雲,壹般很難降雨為了改變雲滴譜分布的均勻性,以利於重力碰並過程的進行,導致降水,常在雲中播撒吸濕性物質,如食鹽,尿素,硝酸銨等。在我國的壹些幹旱地區,人工降雨(雪)的作業開展得較普遍。
固態的二氧化碳即“幹冰”,主要用作致冷劑,用飛機在高空噴撒“幹冰”,可以使空氣中水蒸氣冷凝,形成人工降雨;在實驗室裏,“幹冰”與乙醚等易揮發液體混合,可以提供-77℃C左右的低溫浴。“幹冰”還可以做食品速凍保鮮劑。
參考資料:
1.什麽是幹冰
二氧化碳氣體若被加壓、降溫到壹定程度,就會形成白色的、像雪壹樣的固體.這種固體不經熔化就可直接變成氣體.所以叫”幹冰”.
幹冰具有很好的致冷作用,如制造冰淇淋.“幹冰”還是良好的保鮮劑.魚、肉和其他易腐爛的食物裝船運送幾千裏遠,可用“幹冰”保鮮這些食品.雞蛋用“幹冰”冷凍保鮮幾乎是無限期的.把玫瑰花放在二氧化碳氣體中,花蕾可保持三天不開花.
“幹冰”可用於人工降雨.悶熱的夏天遲遲不下雨,就可將裝有“幹冰”的炮彈射到烏雲密布的天空.不壹會兒,瓢潑大雨傾盆而下.這足由於“幹冰”氣化吸熱,促使水蒸氣凝結成水滴,造成了人工降雨.
2.升華和凝華
物態的變化並不總是按照固態、液態、氣態或者氣態、液態、固態的順序進行,有的時候,有些物體的物態變化也可以在固態和氣態之間直接進行.在熱學上,物體由固態直接轉化為氣態,叫做升華;物體由氣態直接轉化為固態,叫做凝華.
升華或凝華現象,在我們的日常生活中常常可以看到.在嚴寒的冬天,洗後的衣服掛在室外,由於氣溫在O℃以下.濕衣服上的水很快就結為冰.盡管這些冰不會熔化,但時間長了,衣服還是會幹的,這就是因為冰升華為水氣跑掉了.放置在衣箱裏的衛生球或樟腦塊,會逐漸變小,最後完全消失,只剩下壹些黑色粉末狀雜質,這也是升華現象.春天和秋冬早晨出現的霜,這是在溫度下降到O℃以下時,由水蒸氣直接凝固而成的,是壹種凝華現象.
大多數固體物質的升華現象很不明顯.只有部分固體物質容易升華.在生產中,人們常常用升華的方法來提純壹些容易升華的物質.例如,在化工生產中,就是利用升華的方法來提純樟腦、碘、硫等物質.早在兩千多年前,我國古代的壹些人就會利用升華和凝華的方法.來提純壹些化學藥品.所謂的“煉丹”就是壹個例子,具體方法是:
把天然的紅色硫化汞放進煉丹鼎裏煆燒,硫被氧化成二氧化硫,分離出金屬汞;汞又和硫黃化合,生成黑色硫化汞.黑色硫化汞受熱後升華,把它的蒸氣收入壹個容器中冷卻凝華,就形成了結晶的紅色硫化汞.
結晶的紅色硫化汞可以說是人類最早通過化學方法制成的產品之壹,也是我國古代“煉丹”活動中的壹項重要成果.雖然煉丹家在煉丹活動中滲進了壹些迷信色彩.如把紅色硫化汞叫做還丹,反復加熱和凝華後,又叫做九轉還丹,還說人吃了它會長生不老,這是錯誤的.騙人的,應該摒棄.但是占代的“煉丹”活動,還是為人類積累了不少有用的知識,提供了壹些化學藥物.
3.玻璃窗上結的冰,為什麽會有各種各樣的花紋?
數九寒天,早晨起床壹看玻璃窗.呀!上面凈是白花花;有的像蘭花,有的像馬尾松,也有的像壹朵朵的花.
是誰在壹夜之間,在玻璃上描繪了這麽美麗的圖畫呢?
除了大自然,還有誰呢?這是嚴寒用冰描繪出來的.
冰嗎,我們誰都看到過,要不是結在水裏壹塊壹塊的.就是像雪花那樣六角形的,可誰看到還像蘭花,馬尾松……那樣的冰呢?
是的,結在水裏的冰是壹塊壹塊的,那是因為水分子比較密,大量的水在結冰的時候,冰晶都互相纏結起來了;雪花是六角形,主要是水蒸氣分子比較疏,在凝結時,又沒有受到外界不均衡的壓力,冰晶以它自有的角度構成它的外形.其實,大塊的冰,它的冰晶也是六角形的,因為彼此糾纏著.我們看不出罷了;就像小粒的鹽,我們可以看出它是呈六面形的結晶體,而大塊的鹽,看不出它的本來面目壹樣.
玻璃窗上的冰花,原來也是六角形,當最初的冰晶形成之後,就逐漸向四周發展,這時候的情況就復雜起來丁;有的時候風力大,有的時候風力小;而且玻璃有的光滑,有的毛糙,有的玻璃上積有微垢,有的壹塵不染.這樣水蒸氣蒙上去的時候.就不均勻了;有的地方水蒸氣積得多些,有的地方少些.也有的地方十分少.當冰晶向四周延伸的時候,遇到水蒸氣積聚多的地方,水就結得厚些.少的地方就薄些,十分少的地方就結不起來,或者是結了,遇到壹點點熱或壓力,又融化了.因此形成了各種各樣的花紋.這就跟我們畫畫壹樣,顏料用的多些,畫上的顏色就濃些,少些就淡蝗,不著顏料的地方.就只剩畫紙的原來顏色.
4.冬季話雪
我們都知道,雲是由許多小水滴和小冰晶組成的,雨滴和雪花是由這些小水滴和小冰晶增長變大而成的.那麽雪是怎麽形成的呢?
在水雲中,雲滴都是小水滴.它們主要是靠繼續凝結和互相碰撞合並而增大成為雨滴的.
冰雲是由微小的冰品組成的.這些小冰晶在互相碰撞時,冰晶表面會增熱而有些融化,並且會相互沾合而重新凍結起來.這樣重復多次,冰晶便增大了.另外在雲內也有水汽,所以冰晶也能靠凝華繼續增長.但是,冰雲壹般都很高,而且也不厚.在那裏水汽多,凝華增長很慢,相互碰撞的機會也不多,所以不能增長到很大而形成降水.即使引起降水,也往往在下降途中被蒸發掉,很少能落到地面.
最有利於雲滴增長的足混合雲.混合雲是由小冰晶和過冷卻水滴***同組成的.當壹團空氣對於冰晶來說已經達到飽和的時候,對於水滴來說卻還沒有達到飽和.這時雲中的水汽向冰晶表面上凝華。而過冷卻水滴在蒸發.這時就產生了冰晶從過冷卻水滴上“吸附”水汽的現象.在這種情況下,冰晶增長的很快.另外,過冷卻水是很不穩定的,壹碰它,它就要凍結起來.所以,在混合雲裏,當過冷卻水滴和冰晶相碰撞的時候,就會凍結附在冰晶表面上,使它迅速增長.當小冰晶增大到能夠克服空氣的阻力和浮力時,便落到地面上,這就是雪花.
在初春和秋末,靠近地面的空氣在O℃以上,但是這層空氣不厚,溫度也不高,會使雪花沒有來得及完全融化就落到了地面,這叫做降“濕雪”或“雨雪並降”.這種現象在氣象學裏叫做“雨夾雪”.
同樣,雪的大小也按降水量分類.雪可分為小雪、中雪和大雪三類,24小時降水量小雪2.5以下,中雪2.6~5.O,大雪5.0以上;幾小時降水量小雪1.O以下.中雪1.1~3.O,大雪大於3.O.
那為什麽雪花的基本形態是六角形的柱狀或片狀呢?
這和水汽凝華結晶時的晶體習性有關.水汽凝華結晶成雪花和天然水凍結的冰都屬於六方晶系.我們在博物館裏很容易被那純潔透明的水晶所吸引.水晶和冰晶壹樣,都是六方晶系,不過水晶是二氧化矽的結晶,冰晶是水的結晶罷了.
六方晶系具有4個結晶軸。其中3個輔軸在壹個基面上,互相以60度的角度相交,第4軸(主晶軸)與3個輔軸形成的基面垂直.六方晶系最典型的代表就是幾何學上的壹個正六面柱體.當水汽凝華結晶的時候,如果主晶軸在其他3個輔晶軸發育的慢,並且很短,那麽晶體就形成片狀;倘若主晶軸發育很快,延伸很長,那麽晶體就形成柱狀.雪花之所以壹般是六角形的,是因為沿主晶軸方向晶體生長的速度要比沿3個輔晶軸方向慢的多的緣故.
對於壹片六角形的雪片來說,由於它表面曲率不等(有凸面、平面和凹面),各面上的飽和水汽壓力也不同,因此產生了相互間的水汽密度梯度,使水汽產生定向轉移.水汽產生轉移的方向是凸面→平面→凹面.也就是從曲率大的表面、移向曲率小的表面.六角形雪片六個棱角上的曲率最大,邊棱部分的平面次之,中央部分曲率最小.這樣就使六角形雪花壹直處在定向的水汽遷移過程中.由於棱角上的水汽向邊棱及中央輸送,棱角附近的水汽飽和程度下降.因而產生升華現象.中央部分由於得到源源不斷的水汽而達到飽和,產生凝華作用.這種凝華結晶的過程不斷進行,六角形雪片逐漸演變成為六棱柱狀雪晶.
這是假定外部不輸送水汽的理想狀況.事實上,事物與周圍環境保持著密切的聯系,空氣中總是或多或少存在著水汽的.如果周圍空氣輸入水汽較少,少到不夠雪片的棱角向中央輸送 水汽的數量,那麽雪片向柱狀雪晶的發展過程繼續進行.在溫度很低和水汽很少的極地地區和高緯地區,便因為這種原因經常降落柱狀雪晶.
空氣裏水汽飽和程度較高的時候,出現另外壹種情況.這時周圍空氣不斷地向雪片輸送水汽.使雪片快速地發生凝華作用.凝華降低了雪片周圍空氣層中的水汽密度,反過來又促進外層水汽向內部輸送.這樣,雪片便很快地生長起來.當水汽快速向雪片輸送的時候,六個頂角首當其沖,水汽密度梯度最大.來不及向雪片內部輸送的水汽.便在頂角上凝華結晶;這時.頂角上會出現壹些突出物和枝權.這些枝權增長到壹定程度.不會分杈.次級分杈與母枝均保持60度的角度,這樣就形成了壹朵六角形星形的雪花.
在高山或極地的晴朗天氣裏,還可看到壹種冰針,像寶石壹樣閃爍著瑰麗的光彩,人們把它叫做鉆石塵.冰針的生長有兩種情況:壹種是在嚴寒下(-30℃以下)濕度很小時水汽自發結晶的結果,另壹種是在溫度較高(-5℃左右)濕度較大時沿著雪片某壹條輔軸所在的頂角特別迅速生長的產物,是雪花的畸形發展.
形形色色的雪花晶體在天空形成的,當它們的直徑達到50微米時,便能克服空氣的浮力而開始做明顯的下降運動,壹邊飄逸下降壹邊繼續生長變化.這樣壹來,便產生了形式紛紜繁多的雪花.我們只要把它們接納在黑呢子或黑天鵝絨上,就能用肉眼初步辨別出它們的形態來.
5.雲霧產生諾貝爾獎
1894年秋天,英國物理學家威爾遜在蘇格蘭壹個山上度假.山頂上經常雲霧纏繞.變幻萬千,遊客們都被這迷人的景色所陶醉,威爾遜卻突發奇想,要在實驗室裏制造雲霧.
回到實驗室·威爾遜研究歸納了產生雲霧的條件:壹個是空氣中的水蒸氣必須處於飽和狀態,否則水蒸氣不會凝結成小水珠;另壹個條件是空氣中要有壹些“凝結核心”,通常.空氣中的塵埃起凝結核心的作用,這些微小顆粒上面經常聚集了壹些電荷,這些電荷會將過飽和水蒸氣凝結成小水珠,無數直徑很小的小水珠懸浮在空氣中,構成了雲霧的霧滴.
作為物理學家的威爾遜,除了弄清楚雲霧的生成條件外,還想能否利用這個發現來研究物理現象呢?威爾遜在壹個幹凈的瓶子裏(即裏面沒有任何凝結核心)形成過飽和蒸氣.這時如果有壹個帶電的微觀粒子闖了進去,那麽在其周圍會凝結成壹個霧滴、隨著粒子的運動,在其運動軌跡上,就有壹連串霧滴組成為壹條徑跡,這樣,就把人們閉眼看不見的做觀粒子的運動軌跡,變成了人眼能看見的由壹連串霧滴組成的徑跡.威爾遜發明的這個裝置叫“雲室”,他因這項發明而榮獲1927年的諾貝爾物理學獎.
參考資料: