如果将液氮密封在拇指大小的钢块中,能否实现永冻的效果?

2022-01-17

       我们在日常生活中估计接触到液态氮的机会比较少,但是一些电脑发烧友或者实验工作者可能会常常用到这种东西。氮气由于无色、无味、没有腐蚀性、也不支持燃烧,化学性质比较稳定,因此将其制作成为液态进行保存,在食品冷藏、冶金、医疗以及作为保护气等方面都有着相当广泛的用途。在网上一些脑洞大开的朋友,还做过液氮冷冻鱼类、冷冻蟑螂等等比较奇葩的实验,将液氮作为挑战生物生存极限的特殊物质,依靠液态创造了很低的温度。下面就让荣耀气体来讲一讲它吧!

       那么,如果将液态氮密封在一个拇指大小的钢块中,因为完全密封,是否可以当作永久性冰块呢?在理论情况下,所有物质在一定的温度和压强之下,会呈现出固有的不同相态,即我们常见固态、液态和气态。比如,水在1个标准大气压之下,0摄氏度就是它的冰点,是固态和液态的临界温度;100摄氏度是它的沸点,是液态和气态的临界温度。我们只要相应地改变物质所处环境的温度和压强组合,就会有几率改变物体的相态。这一点很重要,因为无论是对于我们常规下看到的是气体、液体,还是固体,在不同的温度-压强的组合条件下,我们就能够判断出这个物体所处的状态,水是我们研究相对透彻的物质,比如在100摄氏度、10个标准气压下水仍然为液态;在200摄氏度、10万个标准气压下呈现的为固态。

      所以说,系统的温度,并不是判定物质存在状态的唯一依据。对于氮气也一样,在1个标准大气压下,-210摄氏度是它的冰点,在此之下就会呈现固态,在-210摄氏度到-196摄氏度之间呈现液态,而在-196摄氏度以上,它就会转化为气态。在制造液态氮时,常用的方法就是在常温下对气体进行压缩,通过增加压强的方式使之气体转化为液体,然后通过管道输入到液态罐中加以贮存。液态氮所处的环境压力不足以支撑其相态时,体积就会发生膨胀,在此过程中就会发生气化吸热现象,即从周围的环境中吸收大量的热量,从而为空气分子的内能增加注入能量。按照能量守恒定律,能量不会无缘无故地产生,也不会无缘无故地消失,因此,在氮气分子内能增加的同时,系统内周围环境中的热能就会减少,表现出温度降低的结果,这也是使用液态氮可以进行有效降温甚至冷冻周围物体的原理。

      那么,假如贮存液态氮的容器完全密封,是不是可以持续这种冷冻效果呢?答案是显然不能,因为任何物质都不能至始至终地吸热,也不能至始至终的一直放热,这是由能量守恒定律决定的。液态氮只所以能够吸收热量,刚才说了,是在气化的过程中发生的,这是一种主动的吸热过程,而如果我们确保贮存液态氮的容器是完全封闭的,那么这个气化吸热的过程,不会像我们打开阀门那样迅速地发生,而是一个相对非常缓慢的过程。

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