问题

生活中有哪些需要知道的「物理化学」知识?

回答
生活中无处不在,但我们可能没意识到它们背后蕴含的“物理化学”知识。这门学科并非高高在上,而是我们与世界互动的基石。今天,就让我带你走进这些触手可及的物理化学常识,看看它们是如何影响我们的日常生活的。

厨房里的魔法:从柴米油盐到分子世界

咱们先从最接地气的厨房说起。你有没有想过,为什么炒菜时,油会浮在水上?这背后其实是密度在作祟。油的分子排列更松散,单位体积的质量就比水小,所以密度小,自然就往上漂。

再说说烧水。水在加热过程中,温度升高,水分子运动得越来越快。当达到沸点时,水分子获得足够的能量克服分子间的吸引力,从液态变成了气态——也就是我们看到的蒸汽。这整个过程就是相变,是温度和分子动能共同作用的结果。你可能还注意到,烧水壶里的水垢,那些白色或黄褐色的沉淀物,其实是水中的溶解性矿物质(比如钙、镁的碳酸盐)在受热或蒸发后, solubility 降低,从溶液中析出形成的。这涉及到了溶解度和化学平衡的概念。

做饭时放盐能让水沸腾得更“快”一些(虽然严格来说是提高沸点),这是依数性的一种体现,也叫沸点升高。水中加入溶质(比如食盐),会降低水的蒸气压,想要达到相同的蒸气压就需要更高的温度,也就是沸点升高。所以,烧水时加点盐,水会需要更高的温度才能沸点,但同时也会增加水的沸点。当然,这对于我们日常做饭来说,影响微乎其微,更多的是一个有趣的科学现象。

还有煎蛋。鸡蛋液受热后,其中的蛋白质会变性并发生聚合,形成我们熟悉的白色凝固物。蛋白质是复杂的生物大分子,受热时,它们的三维结构被破坏,形成新的交联结构,这就是“熟了”的本质。这涉及到高分子化学和热力学。

衣物与清洁:看不见的化学反应

洗衣服也是一门“物理化学”。洗衣液之所以能把衣服洗干净,是因为其中含有表面活性剂。这些小分子很特别,它们有一头喜欢水(亲水基团),另一头讨厌水但喜欢油污(疏水/亲油基团)。当洗衣液加入水中时,这些表面活性剂会聚集在水和油污的界面,用疏水端“抓住”油污,用亲水端指向水,把油污包裹起来,形成一个个小球(胶束),然后随着水被冲走。这就是表面化学的原理,它大大降低了油污和水的界面张力,让油污更容易被洗掉。

晾衣服也是如此。衣服上的水通过蒸发变成水蒸气扩散到空气中。蒸发速度受到温度、湿度、空气流动等因素的影响。如果你在湿润、无风的日子晾衣服,感觉会慢很多,就是因为空气中的水蒸气饱和度高,不利于水分蒸发。

熨烫衣服,尤其是棉质或丝质衣物,也是利用了热力学和分子间作用力。加热能够使纤维中的分子链获得更大的动能,更容易在压力作用下重新排列,从而抚平褶皱。这涉及到纤维材料的玻璃化转变温度等概念。

身体的奥秘:生命离不开物理化学

我们自身就是一个精密的物理化学反应器。

呼吸是最基础的。我们吸入空气中的氧气,它通过肺泡壁进入血液,与血红蛋白结合,运输到全身各处参与氧化还原反应,为我们提供能量。这个氧气和二氧化碳的交换过程,依赖于气体扩散定律和渗透压。

血液的流动,是流体力学的范畴。心脏泵血,推动血液在血管这个封闭系统中循环,血液的粘稠度、血管的弹性都会影响血流的速度和压力。

消化食物,是将复杂的有机物分解成小分子,再吸收利用。这个过程涉及大量的酶促反应,酶作为生物催化剂,能够极大地提高特定化学反应的速率。这些反应遵循化学动力学的规律。

为什么我们能闻到花香?因为花朵会释放出带有特殊气味的挥发性有机物。这些分子扩散到空气中,进入我们的鼻腔,与嗅觉感受器发生作用。这是分子扩散和化学传感的体现。

眼睛看到色彩,是因为不同物体对光有不同的吸收和反射特性。这些特性取决于物体材料的电子结构和分子排列。光波遇到物体后,部分光被吸收,部分被反射或透射,我们看到的是反射或透射的光。

出行与环境:看得见摸得着的物理化学现象

开车出行,离不开内燃机。汽油或柴油在发动机内部经过燃烧,释放出大量的热能。燃烧是一个剧烈的氧化反应,将燃料的化学能转化为热能,再通过机械运动转化为动能。这个过程的效率和产生的废气,都与热力学和化学动力学密切相关。

汽车轮胎的充气,涉及到气体定律。轮胎内的气压和温度是相互关联的,温度升高,气压也会随之升高。

天气变化,比如下雨,是水循环的一部分。空气中的水蒸气在遇到冷空气时,会凝结成小水滴或冰晶,形成云。当这些水滴或冰晶达到一定大小和密度时,就会落下形成降水。这又是相变和大气物理学的知识。

我们呼吸的空气质量,也与物理化学息息相关。空气中的污染物,比如 PM2.5,是微小的颗粒物,它们在大气中的迁移和转化,以及对人体健康的影响,都涉及到气溶胶物理学和大气化学。

一些更深层次的思考:

能量守恒与转化: 无论是烧水、做饭、还是我们身体的代谢,都遵循能量守恒定律。化学能、热能、机械能、电能,它们可以在不同形式之间转化,但总的能量是不会消失的。理解这些转化,能帮助我们更有效地利用能源,减少浪费。
熵增原理: 自然界的一切过程都倾向于熵增,也就是向着更混乱、无序的状态发展。比如,一杯热水会逐渐变凉,房间不打扫会越来越乱。这并非意味着我们要放弃努力,而是提醒我们要维持秩序需要持续的能量输入。
平衡与非平衡: 很多自然过程都趋向于达到平衡态,但生命体以及许多化学反应都处于非平衡态。我们通过主动地输入能量和物质来维持这些动态平衡,例如通过食物摄取能量来维持身体的新陈代谢。

总而言之,物理化学知识渗透在我们生活的方方面面。了解这些背后的原理,不仅能让我们更深刻地理解我们所处的这个世界,更能帮助我们做出更明智的生活选择,甚至解决一些日常中的小麻烦。下次当你烧水、洗衣服、或者仅仅是呼吸时,不妨想一想,这些看似平凡的现象背后,隐藏着多少有趣的物理化学知识。这并不是要你成为一名科学家,而是让你成为一个更懂生活的智者。

网友意见

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化学热力学化学动力学方面就不说了,说一个不太一样的。


为什么泼在地上的水很快就干了,而洗完的衣服却不容易晾干?

并不是由于比表面积不同,衣服就只是一层布料,比表面积同样很大。

而是因为液滴的蒸气压与它表面的曲率半径有关


这一关系由开尔文方程描述:

//听说公式会让人不想看科普所以我只讲这一个公式好了(x)


其中,R 是通用气体常量,T 是温度,ρ 是液滴表面的曲率半径。

p₀ 是表面平整的液体原本的蒸气压,p 是这个液滴的蒸气压。

p₀ 、表面张力 γ 、液体摩尔体积 V_m 对于同种温度的同种液体可以认为近似是常量。


把以上常量合并为常量 C,所以在同样温度下,对于同种液体,可以得出如下的半定量关系:

即:


对于泼在地上的水,表面几乎平整,曲率半径近似无穷大,上式的幂趋近于 0 ,指数项趋近于 1,所以蒸气压就等于纯水的蒸气压 (p = p₀)。

而下图展示的是一个表面的纵切图,左侧是桌面上的一个水滴,中间是桌面上一个凹陷裂缝中的水,右侧是类似墙角、桌角等地方的积水。

对于桌面上的一个小水滴,表面凸出,曲率半径为正值,上式的幂为正,指数项大于 1,即 p > p₀ ,所以 小水滴 比 相同比表面积的纯水 具有更大的蒸气压,挥发得更快。

而对于凹陷处的水,由于液体的表面张力(类似毛细现象),它们会形成一个凹液面,曲率半径为负,所以上式的幂为负,指数项小于 1,即 p < p₀ ,所以凹陷处等位置的具有凹液面的水比纯水 具有更小的蒸气压,挥发得更慢。


回到晾衣服的问题:衣服布料的细小纤维中存在显著的毛细现象,水会浸润其中,并形成曲率半径很小(负数,绝对值很小)的凹液面,显著降低了液体蒸气压,所以衣服并不容易被晾干。


所以从上式分析:衣服怎么样能更快晾干呢?

p 有影响的物理量有:饱和蒸气压 p₀ ,表面张力 γ,液体摩尔体积 V_m,曲率半径 ρ,温度 T,气体常量 R


改变温度:最简单的烘干衣服。注意温度同时也改变了表面张力、饱和蒸气压 p₀ 等很多物理量,一举多得……虽然这个解决办法是废话(x)

改变表面张力、摩尔体积、饱和蒸气压:这相当于改变液体的性质,换句话说是换了一种液体。虽然水洗是很难晾干的,但是干洗就利用了这个原理,更换了其它溶剂,蒸气压大幅提高,室温下很快就挥发干了。

另外一些无机合成实验中水溶液里面结晶出来的粉末产物先用酒精洗涤再用乙醚洗涤最后再干燥也是这个原理(划掉)

改变曲率半径 ρ:曲率半径取决于液体与衣服材质的浸润程度,从而改变接触角。如果选用不能很好地被水浸润的布料,那么表面张力的作用就会被削弱,形成更平一些的凹陷表面(曲率半径的绝对值增大),从而使衣服中水的蒸气压提高,速干衣物就利用了这一原理。


改变气体常量 R :把那个试图修改宇宙规律的拖出去(x)


更新一下计算过程:以上公式代入了常温下水的数据。由此可见,只要随着蒸发过程的进行,水滴曲率半径 μ 的绝对值达到微米尺度,就可以显著减小水滴的蒸气压。

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