2009年5月24日 星期日

透明冰是由純水構成的 ?!

測試結果

  • 以TDS水質測試計進行測試。
  • 以自來水製成透明冰,待冰塊溶解後,與原自來水樣本比對。

TDS_自來水 TDS_透明冰

自來水:80ppm                       透明冰:2ppm

樣本

結果 ppm

飲用水建議 (國際NSF標準)

<400

自來水(台北)

72~89

冷開水

72

普通冰塊

70

逆滲透水

1~10

透明冰

1~5

蒸餾水

≒0

原因:水分子在凍結的過程中,會將空氣與雜質排除在冰的晶格之外。所以透明冰是由純水分子所組成。

實驗結論

前面連續的記錄了以下幾種實驗的過程與結果:

經過這些實驗得到的結論是:以上方法皆無效,充其量只能減清白冰的程度。甚至有的方法會造成反效果,形成整塊的白冰。

認清實際物理現象:

  • 水面先結冰是不可避免的。
  • 水中的空氣溶解是不可避免的。

因此在家庭冰箱提供冷凍的條件下,使用傳統製冰盒一定會產生白冰。

迷思4. 保持水面不結冰

水凍結成冰的過程

  • 室溫下的水置入冷凍室後開始降溫,在水溫高於 4℃時,水會熱脹冷縮,冷水下沉熱水上升形成對流,一直到全部的水都達到 4℃的同溫狀態。
  • 4 ℃的水密度最大。低於此溫度,水的物理性質變為熱縮冷脹。低溫膨脹後不再下沉對流,而維持在表面繼續降溫,然後開始結冰。
  • 底部的水維持在4 ℃,直到由上而下逐漸凍結。冰的體積跟水比較約增加 9%。
  • 一旦表面結冰,則冰面下的空氣沒有逸出的管道,會逐漸集中在最後凍結的部份,形成白冰。

 

我的實驗:

原理:維持持續滴水的方式,使下層的水面受到擾動不結冰,由接觸容器表面的部份開始凍結(底部與側邊)。由於條件設定在僅利用家用冰箱冷凍庫,沒有電源或其他動力擾動水面,所以採用自然滴水的方式擾動。

器材

  • 有蓋的保麗龍容器,底部可以鑽孔。用於盛裝水,並防止水凍結。
  • 塑膠盒,用於承裝滴下的水。

步驟

1. 準備適當的盒子。

實驗_滴水_001

2. 在保麗龍盒的底部以針鑽孔;孔徑:約Φ0.94 mm;估計水珠滴下的流速約 250 cc/hr

實驗_滴水_002 實驗_滴水_003

3. 將保麗龍盒與塑膠盒如下圖堆疊。

實驗_滴水_004

4. 將整組器材置入冰箱冷凍庫,充分冷凍 24 小時。

實驗_滴水_004

冷凍過程中水面因水珠滴下而未凍結的狀態

實驗_滴水_006 實驗_滴水_005 

冰面因滴水而呈現中央的突起,氣泡則以凸起為圓心做環狀分佈。

 

結果

可以達成水面不會先凍結的效果。

但冰塊的效果更差,白冰的部份會散佈在整個冰體。

探索頻道『Mythbusters』在 "Fire from ice" 一集中,使用振動器振動冷凍室內的冰盒,得到相同的白冰結果。

 

結論:

Busted02

是所有實驗中最差的方法,得到的冰塊白色分布最廣,透明度最差。

 

原因

雖然水面保持不凍結,理論上空氣應有逃逸的管道。

但是因為空氣被打散難以聚集成較大的氣泡,所以沒有足夠的力量浮起。

微小的氣泡附著於冰晶邊緣一起凍結,所以整個冰體呈現渾濁白色。

迷思3. 抽真空製冰

網路上的方法:

以下資料照片節錄自 水在真空中是什么样子滴(科学普及帖)(有图)

1147234033767 1147234099547

00:00:00 設置真空設備                           00:15:04 開始出現氣泡

11472343319881147234173993 

00:45:06 劇烈沸騰

1147234435183 1147234515788

01:30:08 結冰                                         02:00:23 完全結冰

以下資料節錄自 【科技之光】室温下的水在真空状态下会沸腾后结冰,为什么?

CCTV-10的科技之光播出了一個節目,就是一個大罩子(大概是燒杯的兩倍大)倒扣在桌上,裏面用燒杯放著一杯水,然後把大罩子抽成真空.這時我們會看到水沸騰,過大約一兩個小時,它又結冰了!

  1. 在比較低的氣壓下水汽化(沸騰)很容易,室溫下就可以達到。比如0.02個大氣壓,沸點只要17.703℃;0.04大氣壓,29.188℃;0.06大氣壓,36.399℃
  2. 水的汽化熱很大,水汽化會帶走大量的熱,比如0.06大氣壓下1g水沸騰吸收熱量2414J/g;而1g水的熔解熱大約335J/g(相反,1克0℃的水釋放出335J的熱量就可以凝固——結冰),另外1g水降低溫度1℃需要放熱4.18J。所以1g水汽化吸收的熱可以讓大約2414/(4.18*30+335)=5.2g的水溫度降低到0℃並且繼續降溫直到結冰!
  3. 因此,理論上說只需要不到1/6的水汽化就可以讓剩下的水都結冰。
  4. 因為燒杯被抽了真空,因此外界熱量很難進入到內部(氣體對流的途徑被阻斷了,氣體熱傳導和輻射的傳熱量相對很小,基本忽略不計)。

 

我的實驗:

原理:降低水面的氣壓可以減少水中的空氣溶解。

器材

  • 真空罐:選用的是 VacuumSaver,這項產品是我在市面上找到真空效果最好的。值得推薦的是它是台灣設計,造型很漂亮。
  • 涼開水:不可加入沸水,溫度會損壞真空幫浦的瓣膜。

步驟

1. 選擇適當的真空罐。

實驗_抽真空_001

2. 將涼開水注入罐中,拉動罐蓋上的滑桿抽出罐中空氣。罐蓋因外部大氣壓,會和罐身緊密接合。為了希望能將水中空氣充分釋放出,所以我在室溫環境下抽真空後靜置一段時間,並重複這個抽氣步驟數次。

實驗_抽真空_002

3. 放入冰箱冷凍庫,充分冷凍 24 小時。

實驗_抽真空_003

實驗_抽真空_004 實驗_抽真空_005

結果:倒出罐中冰塊,中心仍為渾濁的白冰。

實驗_抽真空_007 實驗_抽真空_006

結論:

Busted02

利用水面抽真空的方式可以減少白冰的比例,但是無法產生完全的透明冰。

原因:

市售的真空罐無法達到實驗室真空幫浦的真空等級。

2009年5月23日 星期六

迷思2. 沸水製冰

網路上的方法:

下面這段影片將水煮沸並放涼兩次,再到入冰盒中製冰。

評論:要將水重複燒開兩次再放涼,我想一般人不會有此耐性。而且在放涼的過程中並未加蓋,空氣一定會再度溶回水中。


我的實驗:

原理:我採用的是生產罐頭的排氣方法,在容器內加入沸水同時封罐。

  • 沸水中溶解的空氣因沸騰排除,所以水中應該沒有空氣。
  • 容器內的空氣被水蒸氣排擠,同時直接加封氣密蓋,可以在水冷卻的過程中減少空氣回溶的情況。

器材

  • 瓦斯爐與水壺:燒開水
  • 氣密保鮮盒:能夠同時耐高低溫,我選用的是 樂扣樂扣 Lock&Lock,產品型錄上說明耐溫 -20~130 度。

步驟

1. 選擇適當的氣密保鮮盒。

實驗_沸水_001

2. 燒開水,並持續滾沸的狀態一段時間,讓水中溶解的空氣充分排除。

實驗_沸水_002

3. 將沸水倒入可耐高溫的容器中,並馬上蓋上密封蓋,這時候蓋體會因為溫度及水蒸氣而膨脹突起。

實驗_沸水_003 實驗_沸水_004

4. 在室溫下放涼,這時候可以看到蓋子凹下且凝結了許多水滴。

實驗_沸水_005

5. 將密封盒放入冰箱冷凍庫,充分凍結 24 小時。先在盒體外淋些水再打開盒蓋,避免損害密封膠條。

實驗_沸水_006 實驗_沸水_007

6. 結果冰塊中央仍然是白色渾濁的白冰。

實驗_沸水_008

結論:

Busted02

利用沸水製冰可以減少白冰的比例,但是無法產生完全的透明冰。

原因:

image

請看一下這張空氣在水中溶解度曲線圖表,有一條曲線顯示在一大氣壓之下的空氣溶解狀況。

  • 0°C;57 L/m3
  • 100°C:10 L/m3

所以即使是將水燒開,水中仍會有空氣溶解無法完全排除。

2009年5月22日 星期五

迷思1. 降低結冰速度

網路上的方法:

"自製透明冰" 小学生世界报2003年暑假合刊 冰盤底下墊筷子降低凍結速度

 

我找到的實驗結果:

我在這個網站 家庭で明な氷を作るには,找到日本製冰公司做的相關實驗。

原理:使用氣泡紙包覆,可以有效地降低熱量傳導速率,達成降低結冰速度的目的。會比網路上提示的方法更有效。

器材

image7

  • 蒸餾水
  • 普通水杯兩個(一為實驗;一為對照)
  • 隔熱材料:氣泡紙

步驟

1.  將蒸餾水注入水杯。然後將水杯以氣泡紙包覆,注意杯底不包覆。

image2 image3

2. 將氣泡紙包覆的水杯與對照組水杯置入冰箱冷凍庫。

image4

3. 經過 24 小時充分凍結。

結果

image5  image6

左圖是包覆隔熱材料的冰塊,右圖則是使用普通紙杯的對照。

由於底部未包隔熱材料,所以由下方開始凍結,透明冰的部份集中在下方。

冰體的透明度明顯增加,而且出現明顯的透明冰與白冰的層別。

結論

Busted02

降低結冰速度,可以得到較多的透明部份,但無法排除白冰部份。

原因

水面凍結後,封閉空氣逃逸的管道,所以仍有渾濁白冰的部份。

2007年12月31日 星期一

積層結冰的現象

寒帶地區在下雪之後,常會見到屋簷下垂著一列冰柱 (Icicle)。

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冰柱的形成是因為冰或積雪受到局部的熱源(日光或或屋簷滲出的熱氣)影響而融化。向下流動的水又因為周圍溫度低於冰點,造成再度凍結。隨著時間不斷的溶解凍結造成冰凌增長。有一項很明顯的特徵是冰柱的表面並不是垂直平滑的,而是有層層堆疊的感覺。

icicle 800px-Melting_Icicle_Structure

因為是層層凍結,過程中空氣容易排除,所以這種冰柱是透明的。

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 IdeaBulb啟發構想: 商業製冰機採用這種原理製冰。

透明冰是由純水構成的 ?!

測試結果 以TDS水質測試計進行測試。 以自來水製成透明冰,待冰塊溶解後,與原自來水樣本比對。   自來水:80ppm                       透明冰:2ppm 樣本 結果 ppm 飲用水建議 (國際NSF標準) <40...