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[大氣壓力] 阿里山遊玩外一章~麵包袋快爆炸了

袋子在平地密封包裝,內部氣壓與平地壓力一樣,假設是1大氣壓,『為什麼袋子到高山上會膨脹?』

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2019-10-25 00:26:14 最後編修
2017-06-05 09:14:39 By zfang
 

『哇~小朋友的水壺變成噴水池!』『麵包袋也快爆炸了!』好一陣子沒有出去走走,週末帶著一家老小出門,最小的小柚子才一個多月呢。我們來到阿里山、塔塔加,順手買的麵包,意外變成絕佳實驗品。原本好好的包裝,到山上發現膨脹成那麼鼓,如果壓力差更大說不定會爆開。(就有一包洋芋片突然爆開,嚇我們一跳!)


密封包裝的餅乾在高山上會膨脹,這是在大氣壓力單元中必教的現象,主要是因為高山氣壓低的緣故。

袋子在平地密封包裝,內部氣壓與平地壓力一樣,假設是1大氣壓,『為什麼袋子到高山上會膨脹?』這個現象的解釋,許多學生都有概念迷失,認為:『高山氣壓降低,包裝裡內部氣壓不變,袋子內部氣壓>外部氣壓,所以袋子內部的空氣會向外撐,所以會膨脹!』這樣的說法對嗎?

其實到了山上,軟質包裝內部的壓力不會維持一大氣壓,而是會隨著外界壓力降低而變小,直到與外界壓力相等。不變的是『袋中氣體分子數目』,內部氣壓降低而使體積膨脹,可以用波以耳定律來簡單解釋:P1×V1=P2×V2,壓力與體積成反比。

壓力:平地為P1,山上為P2;體積:山下V1,山上V2
因為P1>P2,且P1*V1=P2*V2
所以V1>V2,體積膨脹!

以上就『壓力改變』來解釋。平地要模擬現象可以藉由『真空罐』來協助(參考大氣壓力~真空密封罐&酒瓶塞),真空罐只能模擬氣壓的改變。

『可是山上氣壓變小,氣溫也降低,氣體體積也會收縮?包裝怎麼不是縮小!』或許細心的學生會發現,溫度也是變因之一。我們實際套用數據,阿里山的海拔以2000公尺來做計算。假設地表大氣壓力約1大氣壓(760mm-Hg),每上升100公尺,氣壓減少8 mm-Hg,因此山上只有600mm-Hg,壓力變化率21 %。

假設平地溫度約24℃,每上升100公尺,溫度降低0.6℃,因此山上只有12℃。乍看之下溫度變化50 %,但事實上溫度並不是以℃來看,而要以絕對溫度K來計算:24℃(297K) -->12℃(285K),溫度變化率只有4 %。(溫度影響的比重較小)如果要實際計算膨脹量,得要用高中化學的理想氣體方程式PV=nRT來解釋。(或是波以耳-查理定律PV/T為定值)

Q:假設包裝內的氣體為理想氣體,在平地1大氣壓(760mm-Hg),,溫度24℃(297K)下體積為600mL(0.6L),則此氣體在阿里山上氣壓600mm-Hg ,溫度12℃(285K)下的體積為何?

P1*V1/ T1 = P2*V2/ T2    ( P原該要用atm,考慮相互抵銷,在此以mm-Hg計算)
760*0.6/297 = 600*V2/285     V2=0.73 (L)
包裝體積 由600 mL增加為730 mL,膨脹率21.7 %!

然而上述都是理想狀態,包裝本身若無彈性,無法順利撐到這麼大,在高山上體積增加有限,那麼~大氣壓力+塑膠袋力=袋中空氣壓力,這時內部壓力就會大於山上大氣壓力,膨脹率不會到21%這麼高。只要包裝有些微縫隙,內部氣體仍有可能擴散逸出(漏氣),分子數目則會減少~(感謝micponjj在回應中提醒喲。)

 

 

後記:距上回大學畢旅來此也過了十多年,當時還可以走到夫妻樹下,而今因夫妻樹有可能傾倒,所以已圍起。再過一個十年,夫妻樹是否還在?翔翔在睡覺,帶著小蒨與小柚子(一個月大)留下影像回憶。小男孩超香甜哩!

  

 

 

 

分類:科學五四三 2009/02/13 10:46

END

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