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乾冰的三態變化

線上科學營

由於二氧化碳三相點的壓力是5.1atm,因此乾冰在一大氣壓下受熱時會直接昇華成二氧化碳氣體。若要形成液態的二氧化碳,外界氣壓就必須大於5.1atm。因此有些科普節目會將乾冰放在寶特瓶內,藉由昇華所產生的二氧化碳氣體來提高容器內的壓力,從而形成液態的二氧化碳。不過這是一個具有危險性的實驗,如果外界對容器的供熱速率不夠快時,就有可能產生爆瓶的危險。

2011/10/28聯勤兵工廠在拆解老舊閃光彈時不慎引爆而造成8人死傷的慘案,對於這種危險的作業,美國軍方是採用較為安全的自動化處理-操作人員在另一個房間以電腦監控防爆屋內的作業。2009/12/26則有科普節目在錄製時發生寶特瓶爆炸事件,對於這類具有危險性的實驗,美國Discovery流言終結者的主持人也是在另一個房間以攝影機監看過程畫面。現在我們試著從科學的角度來探討這些意外發生的原因,在拆解閃光彈的事件中,是誤把含鎂的閃光彈當作拆解一般手榴彈的流程來處理。因為根據鎂的物質安全資料表,特別註明勿把水加入鎂粉中,而拆彈的處理過程「人員還一邊沖水降溫」,這就是造成意外的元兇。其實類似的意外事件,就我的印象已經發生過數次了。比如這則新聞→【實驗室搗鎂粉突冒火 兩生手臉被灼傷

接著來分析寶特瓶的爆炸事件,下圖是CO2的三相圖

co2

由於在一大氣壓之下的乾冰,受熱後只能昇華成氣態,為了呈現出液態的CO2,於是網路上就出現了利用寶特瓶裝入乾冰的方法。但是這非常危險,因為PET寶特瓶耐內壓的國內標準,是在10atm壓力下30秒而不爆瓶就算合格。其耐壓值雖然比CO2的三相點壓力5.1atm高,但這並不代表裝入乾冰的寶特瓶內壓力不會高於5.1atm。怎麼說呢?以圖中1atm的虛線為例,放在室溫下的乾冰之狀態是落在圖中的A點,當乾冰昇華時會汲取空氣中的熱能來當作相變所需的能量,CO2的狀態也會一直維持在A點直到全部昇華完畢後,A點才會向右移動。將乾冰放入影音中的耐高壓水管時,CO2的初始狀態也是在圖中的A點。當把高壓管的另一端折起封閉後,昇華的氣體會增加密閉容器內的壓力,由於昇華要吸熱,因此水管外圍就會出現結霜現象。這時如果不將結霜去除,那麼昇華所造成的冷卻效應就會抑制昇華的持續進行。若抹去結霜,手就能透過管壁對乾冰提供熱能,氣體也就能持續釋出而增加管內氣壓。由於氣壓增加,CO2的狀態就由A點往B點移動。一旦氣壓達到5.1atm時,管內的乾冰就開始熔化而形成固液氣三相共存。接著以手溫持續對系統供熱時,乾冰逐漸全部熔化成透明液體。再繼續供熱,又可觀察到液體的沸騰現象。由於氣壓持續增高,此時CO2狀態是由B點往C點移動的液氣共存相。至於1、2這兩點的數據,則是影片中CO2瓶的二種狀態。由於高壓水管的耐壓值為30atm,在此壓力下的CO2液氣共存溫度是-4℃,因此只要由B點往C點的液氣共存時間不要經歷太久,或是發現管壁外圍已經不再結霜時,這時就應該立即將折起的管口打開洩壓,讓CO2的狀態再度變回A點的乾冰。

那麼使用寶特瓶來觀察乾冰液化現象時,又怎麼會發生爆炸的意外呢?我認為這是供熱速率太小所導致。因為1000CC寶特瓶內的乾冰其吸熱速率遠比在水管內來得慢(容器的尺度越小越容易傳熱),加上該實驗當初是在溫度特別低的日子來進行,因此B點的狀態在供熱不足的情況下,它就不是往C點移動而是往D點方向移動了。由於BD這條固液相共存的斜率非常陡,升壓的過程中系統溫度幾乎不變,表示CO2的分子動能不變而幾乎不需吸熱(不需汲取由B到C因溫度升高所需的熱量),因此外界只要能提供用來增加壓力能之能量即可快速地增加瓶內壓力。加上其固液相共存的曲線不像水是向左上方傾斜,可藉由高壓來促成液化(增大壓力會降低熔點)。因此在供熱不良的情況下,CO2的溫度卻是保持在-56.7℃直到壓力達到50atm的D點之後才會升溫,但在此之前其壓力早就超過寶特瓶的耐壓值,於是意外就這麼發生了。

結論:教師們在示範乾冰的液化實驗時請勿使用寶特瓶,應改用能耐較高壓力的日製透明管(可在高壓管材料行購得,例如台北京站廣場對面的雄兵高壓管