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化学情境试题:过火,是神话还是科学?(Firewalking

  • 技术IT | 2020-06-19 14:07:10 阅读量:39万+

在回答问题之前,首先请你阅读与本试题有关的情境描述,以增加你对本试题背景知识的了解;然后思考问题解决的策略,并且写下你的答案;最后用我们提供的参考答案检查你的答案是否正确。

情境描述

生长在台湾的我们,常见庙会活动,炮声响彻云霄,锣鼓震天价响,信徒夹道烧香祈福,所到之处皆掀起一片欢腾热潮。接着点燃煤炭,烈火高温驱退了围观的人潮,当火焰化为漫延数尺的炭床余烬,满满人潮又淹没了广场,先锋先将驱赶了靠近高温炭床的人群,开出一条路。接下来,重头戏登场—过火(firewalking),抬轿的轿夫赤脚走过高温的炭床(图一),跟随过火的民众亦赤脚踏过,现场的气氛让人感到震撼,可是却没有人因此受伤,是信仰的虔诚庇护双脚?是神明的威灵展现魔法?还是单纯的科学?

化学情境试题:过火,是神话还是科学?(Firewalking

图一:庙会的过火仪式
图片来源:谢一麟,http://www.flickr.com/photos/tragicomedy1979/3076235287/

理论上,只要控制得宜,赤脚行走于高温的炭床上其实是安全的。因为脚板的皮肤比人体其它部份厚二十五倍,所以行得快就不会烧伤脚板的皮肤。再者,人体组织中含有大量的水,水具有高的比热,热传导不易。若要急遽改变脚底的温度,则炭床需要提供大量的热能。然而每一次踏步,脚板与炭堆热流传递时间短暂,以至于温度上升未高达到烧伤脚板的程度。

此外,炭床的表面虽然温度高,但其红热的部分非常薄,其实具有的热能并没有想像中多。温度与热能有何差异性?温度是在一特定的物体中随机动能的强度,与物质的质量无关;热能的高低则与物质质量有关,如10克的物质所具有的热能比同温度下1克的物质来得多,所以像使用打火机时,微量的火花伤不了你的手,儘管火花具有相当高的温度,但因为火花质量非常小,不足以传递足够的能量烧伤你的手,同样的道理可用于解释过火时高温却薄层的炭床。还有,煤炭及煤灰的热传导性差,导致热传导的速率慢。

过火的炭床有烧煤炭,也有烧木炭,长度有长有短,通常4-5公尺,最长达36公尺。使用煤炭或木炭的量多寡不一。大多数的纪录,过火发生在约550℃的煤炭上,也有纪录有人行走在1000℃的高温上。

在台湾,过火是历史悠久的民俗庙会活动,有其文化价值,值得保存传承。然而,我们以不同的角度观之,过火的活动也有能源消耗和环境污染的问题。

在此,提供一些科学的基本资料,以便用于「情境试题」的解题。

• 脚底皮肤有表皮与真皮两层,真皮下有一层皮下脂肪。整体来说,皮层和脂肪层平均比热(specific heat capacity)分别为3.662 kJ/kg•K和2.973 kJ/kg•K,密度分别为1.010 g/cm3和0.920 g/cm3。
• 水的比热和密度分别为4.184 kJ/kg•K和1.000 g/cm3。
• 无烟煤含C、H、O和S元素之重量百分比分别为大于91.5%、小于3.75%、小于2.5%和约1%。
• 煤的燃烧热可以用热值表示,无烟煤(Anthrazit)的高热值(higher heating value,HHV)为27.00 MJ/kg,比热为1.26 kJ/kg•K。
• 煤的燃烧热也可以用电能的单位表示,1 kWh = 3.60 MJ,无烟煤的能密度(energy density)为7.50 kWh/kg。
• 碳的原子量为12.01 g/mol,二氧化碳的莫耳质量为44.01 g/mol。
• 美国能源情报署(Energy Information Agency)1999年对发电的CO2排放报告,燃煤电厂二氧化碳排放的低值规定为0.963 kg CO2/kWh。

情境试题

1. 根据「情境试题」,过火时赤脚行走于高温的炭床上而不会灼伤,下面的叙述何者正确?(多选题)
(A) 行走快速,接触炭床的时间短,导致传导的热量少。
(B) 脚板有厚皮肤,具低的热传导性,导致热传导的速率慢。
(C) 脚底的组织含有水,水具有低的比热,导致温度改变不大。
(D) 煤炭及煤灰的热传导性差,导致热传导的速率慢。
(E) 炭床红热的部分非常薄,虽然温度很高而且所含热量也很多,但是热传导的速率慢。

2. 下面的作法是否会导致在过火时增加灼伤的风险?并以科学的角度说明之。
(1) 过火前在炭床上遍撒大量盐巴。
(2) 过火前在炭床上遍撒一些铁珠。
(3) 过火时在炭床上脚尖踮高行走。
(4) 过火时在炭床上快速跑步(非快速行走)。
(5) 过火前先擦乾脚底的汗水。
(6) 过火前脚底先沾少量的水。
(7) 过火前在炭床的红热部分先洒少量的水。
(8) 过火前在炭床的非红热部分先洒少量的水。

3. 过火时,一单脚总面积2.0 x 102 cm2的脚底陷于炭床0.20 cm,炭床热源提供的功率为271 W。根据「情境试题」提供的资料,计算过火时单脚踏在高热的炭床3.0秒内的温度变化。(假设过火时无其他能量散失;而且为简化计算,假设脚底皮层与脂肪组成各占一半。)

4. 用煤发电的典型热力学效益(typical thermodynamic efficiency)为30.%。根据「情境试题」提供的资料,若一次过火时使用20.0 kg的无烟煤,则此煤可以产生多少电能?可以使3.6 W的LED灯球发亮多少天?

5. 根据「情境试题」提供的资料,若一次过火时使用20.0 kg的无烟煤,则此煤至少排放多少公斤的CO2?此排放值符合美国能源情报署的CO2排放低值规定吗?

6. 根据「情境试题」提供的资料,回答下面的问题。
(1) 无烟煤完全燃烧含有哪些气体产物(除氢外各原子氧化数最高的产物)?
(2) 在无烟煤完全燃烧的气体中,哪一种气体会造成温室效应(greenhouse effect)?
(3) 在无烟煤完全燃烧的气体中,哪些气体会造成酸雨(acid rain)?写出形成酸雨的平衡反应式。哪一种气体对酸雨的影响最大?说明原因。
(4) 写出光化学烟雾(photochemical smoke)形成的过程。在无烟煤完全燃烧的气体中,哪一种气体是造成光化学烟雾的关键气体?

连结:过火,是神话还是科学?(Firewalking: Myth or Science?)〔II〕

参考资料(以下网页撷取日期:2010年5月)




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