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把木頭放在真空中,然後不停地加熱,木頭會不會熔化成液體?
2022/01/07
2022/01/07

在我們的身邊,固體轉變成液體的現象比比皆是,比如說冰熔化成水,即使是堅硬如鋼鐵,達到了一定的溫度,它們照樣也會熔化成一灘液體。根據這個思路,就有了一個有趣的問題:既然木頭也是固體,那麼在特定的環境中,木頭能不能熔化成液體?今天我們就來講一講。

關于熔化可以簡單地理解為,當某種物質處于固體狀態時,在組成這種物質的微粒(如原子、分子等)之間都具備很強的相互作用力,因此它們排列得非常緊密,而在對其進行加熱的過程中,實質上是增加了這些微粒的動能,這會造成它們之間的距離增加,同時相互作用力減小,當達到一定的程度時,固體就熔化成了液體,假如再進一步地加熱,液體還可能會變成氣體。

(注:以上的描述有一些不太嚴謹之處,但考慮到本文僅為科普,大家也不必太過較真)

因此我們似乎可以認為,把固體物質加熱到一定的程度時,它就可能會熔化成液體,那這種方法在木頭上行得通嗎?實際上,當我們這樣做的時候,木頭在達到一定的溫度時就會發生燃燒,最後變為一堆灰燼。原因很簡單,那就是木頭中的一些化學成分與空氣中的氧氣產生了反應,在這種情況下,將木頭熔化也就無從談起了。

好吧,既然這樣,那我們把木頭放在真空中,然後不停地加熱,木頭會不會熔化成液體呢?

要搞清楚這個問題,我們需要先了解一下木頭的成分,除去水分以外,木頭的主要成分為纖維素、半纖維素以及木質素,它們都是長鏈有機化合物,簡單地講就是木頭的主要成分,其實是由很多小分子構成的高分子結構。通常情況下,它們都是緊緊地互相纏結在一起,大概就是下圖中的這種樣子。

很顯然,要將這種纏結在一起的高分子結構分開,需要更大的能量,也就是說,它們需要更高的溫度才可能分開。然而一個不可忽視的問題的是,在溫度提高到可以使這類高分子分開之前,連接各個小分子的化學鍵就會斷裂,這就意味著,這些高分子根本就沒有機會熔化,持續的升溫只會讓它們分解成各種小分子化合物。

(上圖為密封狀態下被不斷加熱的木頭,最後分解成了各種小分子化合物)

事實上也確實如此,研究人員在真空環境中將木頭不停地加熱,結果就是木頭中的水分首先被蒸發殆盡,而剩下的纖維素等高分子,則在不斷提高的溫度下分解成甲烷以及其他含有碳和氫的小分子化合物。在此之後,木頭也就不是木頭了,我們可以看到,在這種情況下,「將木頭熔化成液體」一說也就無從談起了。




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