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室温下 为什么水结冰为非自发应

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解决时间 2021-03-01 16:12
室温下 为什么水结冰为非自发应
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有物理化学的吉布斯自由能可知,自发反应是由高能态向低能态进行的,及有规则的状态向混乱的状态进行。在室温下,水是吉布斯自由能大的状态,而冰则是规则的状态,若水结为冰则是一个放热的过程,即把水的混乱度减小,强迫其规则排列,这一过程需要外部力量完成,不是自发进行的。而冰化为水则是自发进行的,当然是在室温下。
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这期电视节目我没看,但是恰好这个实验我4、5年前做过,我是用的一般的真空烘箱,在烘箱里放了一烧杯水,然后开始抽真空,随后加电加热,抽的真空度并不是很高,但是最终结果是烧杯里的水确实结冰了,然后烘箱的温度也升高到了80摄氏度,结果冰居然也没有明显融化。我将冰拿了出来在室温下放置了一段时间后才融化。这个实验恐怕比你说的电视上的还好看一点。

我当时的分析就是这个原因:真空泵将烧杯上方以及烘箱腔体内的气体全部抽走了,迫使烧杯里的水变成蒸汽(强制汽化),水蒸发带走热量使得剩下的水温度降低,达到0摄氏度并且继续放出热量而结冰应该不是很难的事情。

可以这么估计分析一下:(气压降低对水冰点的影响可以忽略不计)
1、在比较低的气压下水汽化(沸腾)很容易,室温下就可以达到。比如0.02个大气压,沸点只要17.703℃;0.04大气压,29.188℃;0.06大气压,36.399℃……
2、水的汽化热很大,水汽化会带走大量的热,比如0.06大气压下1g水沸腾吸收热量2414j/g;而1g水的熔解热大约335j/g(相反,1克0℃的水释放出335j的热量就可以凝固——结冰),另外1g水降低温度1℃需要放热4.18j。所以1g水汽化吸收的热可以让大约2414/(4.18*30+335)=5.2g的水温度降低到0℃并且继续降温直到结冰!
3、因此,理论上说只需要不到1/6的水汽化就可以让剩下的水都结冰。
4、因为烧杯被抽了真空,因此外界热量很难进入到内部(气体对流的途径被阻断了,气体热传导和辐射的传热量相对很小,基本忽略不计)。
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