這個上端開放的薄皮不鏽鋼罐子里裝的是液氮,為什麼盛有液氮的部分不結霜?
如圖中所示,下面明亮一些的部分就是盛有液氮的部分,上面結霜的部分是罐內液面以上部分,按說液氮部分溫度更低,但是為什麼沒有像液面以上部分那樣結霜呢?
經常玩液氮的孩子試著答一下。
首先肯定題主的觀察結果,液氮液面以下部分確實沒有像以上部分一樣結霜。但是,它結的是冰。
題主見過很大的冰塊沒?表面滑溜溜的毛都沒有,不跟你說你還以為是玻璃被燒化了的樣子(也確實有用玻璃或有機玻璃假裝冰雕作裝飾的,外觀上根本看不出來)。
題主你再觀察一下,從鐵桶的上方一路看下來,會發現什麼規律?
1 最上方結霜不太嚴重,因為距離「冷源」也就是液氮遠,且與外界交換熱量充分,空氣中的水蒸氣遇冷結晶產生了少量的霜;
2 中間部分結霜最嚴重,甚至由於霜的厚度太厚導致不能支持自身重量而剝落了,因為這一部分距離液氮更近,溫度更低,更有利於霜的形成;3 再往下看,好像結霜又變少了,與1相似了;
4 再往下,液面正上方,出現了雪白的條帶;
5 液面以下,沒有結霜。那麼問題來了,這種規律是怎麼來的?
溫度梯度,具體來說就是桶壁向外的溫度隨距離變化的速率。液面以上的部分,越靠近液面溫度梯度越大;液面以下部分由於液氮溫度上下沒有差別,都是77 K,因此溫度梯度在豎直方向上沒有差別。
我們再從上往下看。
當溫度梯度較小時,水蒸氣能夠緩慢地釋放熱量,從容地結晶並生長成團簇,出現1中的情況,並隨著溫度梯度的增大,團簇也在增大,逐漸過渡到2。
(圖片來自百度,侵權立刪)
(圖片來自百度,侵權立刪)如果溫度梯度過大,水蒸氣中越來越多的水分子還沒來得及調整好姿勢,啪,就定住了。這種情況下靠近桶壁的水蒸氣不能形成大面積的結晶,只能以小塊結晶的形式積累出比較緻密的「霜」。但在這層霜外面,溫度梯度逐漸減小,又可以形成大塊的雪花狀結晶,出現3中的情況。
直到距離液面非常近的地方,也就是4,幾乎不可能再形成類似1-3中比較疏鬆的像雪一樣的霜,而全都是比較緻密的霜。此時由於其內部存在大量微小的空洞或者說氣泡,所以看起來就是白色的一條。
一旦到了液面以下,情況就比較特殊了。
正如前面說過的,溫度梯度在豎直方向上沒有差別,因此液面以下形成的條帶顏色是均勻的。這一部分「霜」其實更接近我們平常所謂的「冰」,內部氣泡少,透明度高,可以透過它看到鐵桶的顏色。而且,巨大的溫度梯度導致這層「冰」最外側升華,也就是從固態直接變成氣態,形成一層氣體保護膜。這層膜的導熱係數非常小,可以對冰層起到保溫的作用。就像人可以把沾水的手快速放入鉛水中並快速取出但不會燒傷,是差不多的道理。而一旦跳出這層膜的保護範圍,溫度梯度變小,水蒸氣就又會凝結成液面上方的那種熊樣,看這個白點:題主你看,在2號區域,剝落後的地方顏色是不是跟5號區域差不多?聰明的,你告訴我,現在知道這是為毛了么?業餘玩液氮的過來打個醬油。不結霜的部分離開口閥門較遠,不冷凝外界接水汽。就像你放在保溫杯里,一般是敞口的地方結霜,如果這個保溫杯是good的話。對應你的圖好像哪裡不對,所以我也感覺你的液氮罐壞了,哈哈。
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