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2023-12-27 05:30:01
回忆童年时,似乎总少不了气球。在我记忆中的场景里,无论是公园里还是大街上,总会有卖气球的小贩头顶着一团卡通气球,慢慢地啜饮着。
从经典的米老鼠和葫芦娃,到蓝猫和淘气,再到喜羊羊和小猪佩奇,卖气球的人似乎总是知道什么对孩子好。
图片来源:作者拍摄
这些儿时的“朋友”被赋予了一个统一的名字——“氢气球”。
很多细心的朋友可能会奇怪,为什么氢气球能飘在空中,而我们自己用嘴吹的,用打气筒打的气球却不能。
想知道答案?今天我就带大家一劳永逸地了解一下氢气球的前世。
第一部分
氢气球的前世。
孩子的要求往往很简单。“能飘到头顶”是他们对一个合格氢气球的最高要求。但是,历史上的氢气球不仅可以在头顶上飘,还具有载人载物的功能。
世界上第一个氢气球诞生于1780年,它是由法国化学家布拉克通过向猪膀胱注射氢气制成的。
世界上第一个没有任何乘客或货物的氢气球是由雅克·查尔斯教授于1783年8月设计并实现的。1783年12月1日,雅克·查尔斯和尼古拉斯·路易·罗伯特驾驶他们的第二只氢气球进行了一次载人飞行。
随着时间的推移,氢气球的种类和功能也在不断丰富,有悬挂横幅用的商用氢气球,探测高空用的气象氢气球,还有节日用的、玩具用的小型乳胶氢气球。
图片来源:veer画廊
但是,无论氢气球是做什么用的,它的填充气体其实只有氢气和氦气。是的,虽然叫氢气球,但偶尔也可以用氦气作为填充气体。
之所以选择这两种气体,是基于氢气球的漂浮原理和气体的物理化学特性。
第二部分
氢气球的漂浮原理
根据阿基米德原理(又称浮力定律),浸没在液体或气体中的物体会受到向上的浮力,浮力等于物体所排开的液体或气体的重力。
具体来说,气球充入低密度气体后,体积膨胀置换空气,置换出的空气重量就是气球的浮力(示意图如下)。
氢气球漂浮示意图(作者自制)
因为低密度空气比同体积的空气轻,即使加上气球表皮的重量,整个气球上的重力也更轻。因此,当浮力大于重力时,气球就会浮起来,然后越飞越高。
那么什么样的气体能让气球飘起来呢?
我们先来看看常见气体的标准密度(单位:kg/m3)。
上表列出了一些密度低于空气(1.29 kg/m3)的常见气体,其中氢气、氦气、氨气、甲烷明显比空气轻。
其实理论上只要往气球里充以上气体,气球就很容易飘起来,只是有些气体因为自身的特性不适合充气体。
其中氨气气味强烈,容易吸附在皮肤黏膜和结膜上,产生* * *和炎症。氨气作为厕所下水道的异味来源,充进气球里,真的不是一个讨人喜欢的行为。
甲烷是家用天然气的主要成分,和氢气一样易燃易爆,但远比氢气重。所以市面上能飘的“氢气球”的填充气体往往是氢气和氦气。
图片来源:veer
氢和氦是宇宙中含量最丰富的两种元素,但在地球大气层中含量极少。据统计,由于大气逃逸,我们地球上每年约有9.5万吨氢气和1600吨氦气逃逸到宇宙中。
幸运的是,由于地球富含水和各种含氢化合物,氢其实并不难获得。而氦气作为惰性气体,很难与其他元素形成化合物,所以对氦气的获取受到限制。
整个岩石圈估计每年产生3000吨氦,这些氦往往被天然气捕获并富集,人类可以通过开采天然气分离提纯氦。氦是不可再生资源,天然氦是目前工业制备氦的唯一来源,这造成了全世界氦资源的全球性短缺。
作为军工、科研、医疗、工业等领域不可多得的战略物资之一,氦的价格远超氢。
受限于成本,即使氦气更安全,但市面上的“氢气球”中的填充气体大多是真正的氢气。
第三部分
氢气很危险,玩的时候要小心。
这些充满氢气的美丽气球背后,其实隐藏着巨大的安全和环境隐患。近年来,氢气球爆炸致人死亡的案例屡见报端。
据新闻报道,2014年,某地某商场开业典礼期间,一个氢气球脱落,飘到了数百公里外的另一个区域。被一个小孩发现后,捡回家。几天后,气球爆炸,导致房屋倒塌,造成两死三伤。
氢气易燃易爆,在空气中的爆炸极限在4%-75%之间。这意味着在空气中,只要氢气含量达到这个范围,哪怕只有一点点明火,都会发生爆炸。
更让人担心的是,在实际生活场景中,氢气球里的氢气很容易泄漏,不需要明火。仅仅是橡胶摩擦产生的静电火花就足以点燃或引爆氢气球。
而且很多氢气球内填充的氢气不够纯净,填充过程中可能会混入少量空气,使得本已危险的情况更加危险。
事实上,早在2006年7月,国家气象局等部门就联合下发了《关于进一步加强施放气球安全管理的通知》,倡导用惰性气体替代氢气等易燃易爆气体作为施放气球的填充物,减少安全隐患。
整体来说,氦气作为一种惰性气体,极其稳定,不会像氢气一样成为身边的定时炸弹。它的密度足够低,可以为氢气球提供足够的升力。
所以为了大家的安全,在购买氢气球的时候,一定要优先选择充有氦气的氢气球,同时告诉身边的小朋友危险,尽量远离氢气球。
参考资料:
[1]奥斯特菲尔德,P. J.《从热空气到氢气:早期气球的充气和飞行》。[J]恩德***吾尔,1990,14(4):194–200。
[2]扎特曼;沃瑟伯格,G. J。天然气中的氦、氩和碳。地球物理研究杂志,1961,66(1):277–306。
[3]刘健翔。论氢气球的安全放飞[J]环境保护,2016,3。
出品:科普中国
作者:X-Y(中国科学院大连化学物理研究所)
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