水扁氣扁與不扁

林麗華 台南市立後甲國中教師
 
壹、前言

大氣中到處悠遊的空氣,受地心引力,具有重量,造成大氣壓力。
密閉容器內體壓力是因氣體分子碰撞器壁造成的壓力。
以下實驗分別藉著物理變化及化學變化,讓學生感受到「大氣壓力」和「密閉容器內的氣體壓力」兩者之問的「鬥法」,也讓學生感受到大氣壓力的威力。

貳、本文
一:水扁

1 操作步驟
(l)取一個空保特瓶,打開蓋子,倒入少量熱水(約80℃),搖一搖保特瓶,讓水蒸氣充滿保特瓶,然後將蓋子緊緊蓋住。
(2)從瓶外淋冷水,會有什麼現象發生?觀察並解釋之。
2 結果與原理說明
(l)保特瓶扁了,如圖一。

示意圖一

(2)空保特瓶內的空氣(因氣體分子碰撞瓶壁)造成的壓力與瓶外的大氣壓力互相抗衡,故平常的空保特瓶不會被大氣壓力壓扁。
(3)空保特瓶,倒入少量熱水(約80℃),水蒸氣趕走瓶內大部分的空氣,於是保特版內大部分是水蒸氣。
(4)蓋子緊緊蓋上後,從瓶外淋冷水,使瓶內的水蒸氣凝結成水,瓶內空氣稀薄壓力減小,於是保特瓶被外面的大氣壓力壓扁了。

二:氣扁

1 操作步驟
(1)利用灰石、大理石、貝殼或小蘇打與酸作用,產生CO2,以保特瓶當集氣瓶,用「排水集氣法」收集一瓶CO2。
(2)保特瓶拿出水面後,以刮勺取兩顆固體氫氣化鈉放入保特瓶內,迅速蓋緊瓶蓋,會有什麼現象發生?觀察並解釋之。(最好使用「有氣泡礦泉水」的瓶蓋,可蓋得較緊)
2 結果與原理說明
(1)經過一段時問後,保特瓶扁了,如圖二。
(2)氫氧化鈉把CO2反應掉,保特瓶內氣體的分子數減少,使保特瓶內的氣體壓力小於瓶外的大氣壓力,於是保特瓶被壓扁了。

示意圖二
三:不扁

1 操作步驟
(1)保特瓶底面或側面近底面處,挖一個小洞。
(2)瓶子傾斜,倒入少量熱水(約 40℃-50℃即可),搖一搖保特瓶,讓水蒸氣充滿保特瓶,然後將蓋子緊緊蓋住。
(3)手拿瓶蓋處(不要擠壓版身),直立提高保特瓶,會有什麼現象發生?觀察並解釋之。
(4)從瓶外淋冷水,會有什麼現象發生?觀察並解釋之。
2 結果與原理說明
(1)熱水不但不會從小洞流出,且將看到氣泡從小洞上升(如圖三)。
(2)因水蒸氣趕走瓶內大部分的空氣後,水蒸氣逐漸冷凝成水,瓶內空氣稀薄壓力逐漸減小,小於外面的大氣壓力,於是外面的空氣慢慢「攻入」瓶內,會看到氣泡從小洞慢慢上升。
(3)若從瓶外淋冷水,因瓶內水蒸氣快速冷凝成水,瓶內空氣壓力迅速減小,將看到氣泡從小洞快速上升。
(4)因外面的空氣能進入瓶內,所以無論有沒有淋冷水,保特瓶都不會被外面的大氣壓力壓扁,能「帥帥的」保持「不扁」。
(5)每當氣泡不再上升,打開瓶蓋,讓水蒸氣趕走已進入瓶內的空氣後,蓋緊瓶蓋,將看到氣泡再度從小洞上升。在瓶內熱水冷掉之前,可多次重複操作,甚至可重複實驗十多次。
(6)本實驗的好處是,不需要很熱的水,即可作實驗,對學童而言,安全性較高。

示意圖三

許多人知道磁浮車可以用來發展高速火車,因為輪軌車輛在高速的情形之下會有許許多多的技術性問題產生,而磁浮車不會。然而,磁浮車不只可以用來發展高速火車,它用來做低速的捷運系統一樣可以有許多好處。例如噪音的問題,相信居住在都市的小朋友們都有非常深刻的體認,每當捷運通過住家或學校附近時,所帶來的噪音真的很令人難以忍受。所以台北木柵線的捷運系統才會採用較低噪音的橡膠輪胎,在聲音上比傳統的鐵軌輪胎低上許多。而磁浮車輛可以說是噪音問題的良好解決方法,因為磁浮列車在行駛時並無鐵軌或輪胎和軌道摩擦的噪音出現。
在維修方面,磁浮車輛沒有任何轉動或摩擦的零件,於是就沒有了這方面的零件維修或定期更換費用。磁浮車輛由於使用線型馬達,不需要一個大大的車輪在車輛底下,因此可以使車身降低,在製造費用的成本上也能降低。此外線型馬達所提供的煞車作用乃完全來自於電磁力,因此其煞車性能不受路況影響。不管路面是否溼滑仍然可以保持原來的煞車距離。因此,磁浮列車在設計每班車的相差時間時,可以藉此縮短時間已增加開車的班數,如此一來可以大輻提高系統在尖峰時間的運量。

參、結論

從上述的三個實驗中,學生可以藉此體會出大氣壓力的威力,也可以了解保特瓶「會扁」或「不扁」?其實和瓶內氣體分子所產生的壓力,是否和大氣壓力相等有關。
保特瓶「會扁」有二種不同的情形,其中「水扁」是藉著物理變化(水蒸氣凝結成水),使瓶內的氣體分子減少,因此瓶內的氣體壓力小於瓶外,於是大氣壓力便將保特瓶壓扁了。而「氣扁」則是藉著化學變化(氫氧化鈉與氣體的 CO2作用產生固體的碳酸鈉或碳酸氫鈉),使保特瓶內的氣體分子減少,造成瓶外的壓力大於瓶內,因此保特瓶便被壓扁。有關氫氣化鈉與CO2作用產生碳酸鈉或碳酸氫鈉的反應式可表示如下:

示意圖四

亦可合併寫成:

示意圖五

致於保特瓶「不扁」的情形,雖然和「水扁」的情況類似,藉著澆冷水使水蒸氣凝結成水,造成保特瓶內的氣體壓力小於瓶外的氣體壓力,但是由於保特瓶底面或側面近底面處有一個小洞,讓外面的空氣能不斷湧入,使瓶內的壓力漸漸回升,因此保特版瓶便能保持「不扁」了!
註:上述的反應式裡,(g)表示氣體,(l)表示液體,(s)表示固體。

肆、參考資料
林麗華,趣味科學攜遊記第一、二冊,建宏書局出版。