冷冻手术

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TUhjnbcbe - 2023/7/25 22:21:00
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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,依靠液态创造了非常低的温度。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;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,水是我们研究最透彻的物质,比如在摄氏度、10个标准气压下水仍然为液态;在摄氏度、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,-摄氏度是它的冰点,在此之下就会呈现固态,在-摄氏度到-摄氏度之间呈现液态,而在-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。

当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。

为什么容器完全封闭了,还会有吸热的过程呢?这主要取决于热传递的方式。我们在日常生活中常见的有两种方式,即热传导和热对流,比如金属导热就是热传导,空气冷暖空气的交替、烧开水就是以热对流为主,而兼具热传导的形式。还有一种就是直观上很难体会得到的热辐射,与上面两种方式不同的是,热辐射不需要中间介质作为媒介,任何物质都有以电磁波的形式向外释放热量的能力,温度越高,电磁波的频率就会越高,辐射所携带的能量越大,太阳内部核聚变产生的能量,就是主要以热辐射的形式,穿越气体非常稀薄的宇宙空间到达地球的,只不过与热传导和热对流相比,热辐射的热量传递效率很低而已。

如果是用钢块封闭住一部分液氮,那么由于钢块是一个热的优良导体,外界环境的温度较高,而内部处于液态的氮气的温度非常低,因此就会形成内外不同的温度差,在这样的情况下,钢块就充当了热量传输的介质,在微观粒子层面温度高的一方分子活动程度剧烈,就会逐渐地在碰撞过程中将热量快速地传递到内部,它所实现的结果就是钢块周围的空气温度会发生一定程度的下降,而空气兼具热对流和热传导过程,这部分冷却的空气团周围也会进行热量的传输,从而为钢块周围的空气加温,如此往复,钢块内部的温度就会慢慢的提升,最终实现与周围空气同样的温度。而即使是氮气罐,中间有一层真空层,那么热量也会在热传导、热对流和热辐射的综合作用下发生传递过程,只不过中间真空层的存在,使得热辐射的效率明显减弱,因此可以存贮液态氮比较长的时间而已,但是最终的结果也会使氮气罐内外的温度趋于和室温一致。

那么,有的朋友可能会问了,由于钢块的密封,空间非常有限,里面不还是液态氮吗,温度不还是很低吗?当然不是,刚才说了,决定物质相态的有两个因素,温度和压强,它们二者的组合结果才是决定性的。在强大的压力下,即使是在室温下,也可以使气体处在液态或者固态。据测算,液态氮在发生气体时,其体积可以膨胀近倍,也就是钢块在完全密封下,其内部的压强为个标准大气压。

通过上面的氮气相位图,我们可以看出,当钢块内部的温度通过热量传输与室温保持一致、压强在个标准大气压之下,其存在的相态就将是一种超临界状态,即不是液态,也不是气态,而是处于二者之间的一种临界状态。这时的钢块,自然拿在手里也不会觉得冷了,不过却相当于一个不可控的“定时炸弹”,随时随地都有炸破钢块束缚的风险。

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