看到水珠結冰的冰尖凸圖片感到非常驚奇,由於實驗必須放入冰箱冷凍庫中操作,無法直接觀察,老師便提出「如何讓水滴在我們眼前結冰」的難題,想到了用〝乾冰!〞的妙招,問題馬上迎刃而解。

 

X博士摘要說明】

  1. 了解乾冰的物理特性。
  2. 觀察乾冰昇華時的擴散現象。
  3. 比較不同介質表面對水滴結冰的影響。
  4. 比較不同乾冰牆排列對水滴結冰的影響。
  5. 探討如何在乾冰上烙印台灣形狀讓水溶液結冰。
  6. 探討如何完成藍色大海美麗台灣。

 

53 國小物理科作品

題目:漫步在雲端乾冰塑 TAIWAN

作者:雲林縣斗六市石榴國民小學的同學們

 

【摘要(原文)

本實驗運用乾冰低溫特性,進行昇華、擴散及讓液體結冰的直接觀察研究。研究中發現乾冰置放在金屬材質上冷卻效應較佳;在木質桌面降溫的程度較低。乾冰邊角上因為二氧化碳冷氣流產生渦旋現象而讓水滴最慢結冰;又因為結冰順序的影響,造成冰滴尖端呈現向外放射狀現象。將蒸餾水、糖水、硫酸銅溶液及鹽水分別滴入四面乾冰牆中間,可以觀察到液滴快速結成斗笠狀、扁桃狀、鍋蓋狀及結晶花等不同變化。最後利用烙印原理,將不同的色素溶液滴入台灣形狀凹槽的乾冰上,有長出中央山脈的台灣、也有美麗的結晶花夜空,更進一步利用乾冰碎塊做出大海環繞的福爾摩沙。「漫步在雲端,乾冰塑台灣」科技與人文創意的連結,浪漫而炫麗地呈現在我們眼前。

 

X博士步驟說明】

●探討乾冰在空氣中與在水中的昇華情形

 投影片2  

乾冰是固體二氧化碳,凝固點 -78.5℃,放在室溫會一直昇華成二氧化碳氣體,低溫的二氧化碳會讓周圍的水蒸氣凝結成小水滴,所以看起來一直冒白煙。而昇華過程,也不像冰塊一樣溼答答的,所以俗稱乾冰。

 

不同材質上,乾冰使液滴結冰之觀察

 投影片3  

乾冰造成水滴結冰的方式有兩種:一種是桌面接觸面的熱傳導導致水滴冷卻結冰;另一種是乾冰昇華時往四周圍擴散,產生冷卻的氣流讓水滴結冰。這兩種方式的熱傳導都會讓水滴結冰,木頭桌面的熱傳導並不快速,冷氣流的風向影響了冰體的尖凸方向,所以水滴結冰成彗星拖尾的平躺形狀。當桌面墊上一種熱傳導速率較快的金屬鋁片,我們發現鋁片上所有水滴都是形成往空中尖起的冰尖凸,而不是平躺在鋁片上的彗星拖尾狀,結冰的時間非常快且結冰的範圍也非常廣。若刻意將某些水滴一半接觸面積在鋁片上,另一半落在木材桌面上,則水滴也產生平躺拖尾現象。

 

如何用乾冰做台灣

1.將水滴滴在乾冰上,觀察水滴結冰情形。

2.運用烙印方式,在乾冰製作出的凹槽中倒入液體,觀察變化。

3.取出台灣鋁片,將 12ml 染綠色的蒸餾水液體,灌入烙印有台灣形狀的乾冰中, 觀察液體的結冰情形。

4.將蒸餾水液體改為等體積的重量百分率 5%橘色糖水、5%重量百分率紫色鹽水、 5%重量百分率硫酸銅溶液等等,觀察台灣結冰的情形。

5.將台灣鋁片留在乾冰內,同上步驟重做一次,比較台灣結冰的情形有何差異。

 投影片4  

1.水滴在乾冰上不僅成為球狀,而且快速滾落桌面。這是因為水滴在乾冰的那一刻,水滴的溫度是 25℃,乾冰的溫度是 -78.5℃,也就是乾冰會迅速昇華成二氧化碳。產生的大量二氧化碳覆蓋在乾冰的表面上,減少摩擦力,讓水滴無法停在乾冰上而滑落了。這種現象就像鍋子很熱時,水會結成珠狀在鍋子裡滾來滾去的道理一樣。

2.為了解決水滴滑落,我們拿一塊大金屬鋁片,用大剪刀剪出台灣形狀,再用鐵槌敲平金屬片。以 3~4 個小蠟燭台同時加熱,用鑷子夾起金屬薄片在火上烤,烤熱後迅速烙印台灣形狀於乾冰上。並且重複烙印直到做出 3mm 深的台灣形狀乾冰。

 

數據分析與結論

這個實驗主要探討熱傳導與對流兩者的競爭關係,當金屬桌面與木頭桌面的材質差異會影響水滴結冰的形狀。熱傳導強烈時乾冰周圍水滴的結冰會是立起來的冰凸(金屬材質上的水滴結冰),熱對流強烈時乾冰周圍的水滴會是躺平的尖凸(木頭桌面的水滴結冰)。冷氣流的風向會決定尖凸的形狀及方向,強烈的氣流靠 近乾冰越近,越快結冰。但是乾冰槽台灣結冰實驗中,放入金屬片的台灣不會產 生冰尖凸,是因為金屬片熱傳導太旺盛了,液體滴入後馬上結冰,根本來不及慢 慢長冰尖凸,但硫酸銅溶液因為結冰過程高濃度往中間推,雖然金屬片熱傳導旺 盛,最後還是因為高濃度很慢結冰所以有時間長出冰尖凸。

 

以下是評審給的評語

 投影片5  

 

X博士評語】

也從乾冰物理特性的認識,再運用霧狀水滴的漂移累積,「驗證」氣體的擴散作用。透過一連串有趣的結冰實驗設計發想,運用有關乾冰冷卻液體的原理,一步一步地往「用乾冰做台灣」的目標前進。也試著用乾冰做出意想不到的台灣形狀,可說是一項很有創意的作品。