如果将液氮密封在拇指大小的钢块中,能否实 [复制链接]

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。