趣味探究热能问题

一、“核能”利用出现危机

2011年3月11日，日本9级强震造成了严重的核泄漏事故，流向大海的污水中放射性碘—131、铯—134是正常值的近14万倍！这起事故反映了：我们利用“核能”缓解能源短缺危机、享受核能给生活带来便利的同时，正在“品尝”这把“双刃剑”带来的“苦果”！因此，我们要强化对核污染的治理。

二、能源利用的三次大转变

第一次是以煤炭为燃料的蒸汽机出现，它使矿物能源转换为机械动力。瓦特发明蒸汽机，造就了“蒸汽时代”。第二次是电能的出现，各种能源方便地转换成电能，而电能又可方便地转换为热、光和动力。第三次是进入21世纪后，能源的开发和利用转向太阳能、水能、风能、地热能、生物质能及潮汐能等可再生能源和核能。

三、“化学发热剂”的趣味探究

煮饭、洗澡、取暖、行车均离不开化学反应提供的热能。随着生活水平的提高，越来越多的地方需要特殊的热能，如医疗上的热敷。若这些热源全部来自于电能，有一定的局限性和危险性。处于高原或在人迹罕至的地方，如何取得理想的热源呢？有一些特殊的化学发热剂，具有不受地区条件限制、效率高、体形小、方便携带、价廉易得、可循环利用、对环境破坏与污染程度轻微等优点。

（一）“化学发热剂”的反应原理

1．生石灰与水反应的放热反应原理：CaO+H2O=Ca（OH）2，块状生石灰与水发生剧烈反应放出大量热，温度最高可达120℃，持续3分钟。1 kg CaO与水混合产生的热量可煮开两个暖水瓶的水。

2．“热冰”反应原理：CH3COONa·3H2O（s）→CH3COO-（aq）+Na+（aq）+3H2O（aq）；醋酸钠溶液结晶时就像水结冰一样，但会放出大量的热，用手摸时会有热的感觉，故称“热冰”。升温快热量较低，50℃左右，持续时间较短，加热后会重新变成溶液，可重复利用。

3．铁粉氧化发热反应原理：铁粉与水、氧气等物质发生缓慢氧化放出热量。可持续发热12~24小时，温度多少保持在50 ℃~ 60 ℃，可通过控制药品与空气的接触多少来控制温度。

（二）“化学发热剂”的实验探究

实验一取100 g CaO与水混合，把盛有100 mL水的铁饭盒迅速放在混合物上，将温度计插入水中，不到一分钟，插入水中的温度计上升到62 ℃。100 g CaO与水混合后体积很快膨胀，发出“咝咝”声，产生大量水蒸气，温度可升至95 ℃，符合人体需要的饮食温度。

原理分析：CaO放热速度快，可迅速加热食物和水，且不会产生有害物质，使用安全，适合加热熟食。但加热300 mL食物需250 g~300 g生石灰，且生石灰生热时体积膨胀，故用的饭盒的体积必然较大，携带不方便。

实验二（1）取一只250 mL的锥形瓶，盛50 mL蒸馏水，加入醋酸钠，直到无法溶解为止；（2）在锥形瓶内再多加一倍量醋酸钠，放在酒精灯上加热使其完全溶解；（3）将溶解完的醋酸钠溶液用少许蒸馏水清洗锥形瓶内壁，再放到室温下慢慢冷却，形成过饱和溶液；（4）在过饱和醋酸钠溶液中，加入一些醋酸钠晶体，会使溶液迅速结晶，放出大量的热。结晶放热时，温度达52 ℃，持续35分钟，加热醋酸钠晶体后，又变回成溶液。

原理分析：过饱和溶液中含有醋酸根离子、钠离子和水分子，当加入醋酸钠晶体时，便给予溶液一种趋力，使其结晶。当溶液中的粒子结晶时，会放出热，这就是为什么锥形瓶摸起来会热的原因。

实验三发热剂粉末呈黑黄色，成分是还原铁粉、硅藻土、多孔质焦炭（煤）粉和食盐水等。接着看看热敷袋的构造和材料。热敷袋的包装分内、外两层，内层为透气层，并用针扎出了许多气孔，外层为密封包装层。使用前，内层不与空气接触。打开包装后，内层中的药品与空气接触，用手振荡热敷袋，开始发热。发热可持续12小时，温度保持在50 ℃以上，可通过控制药品与空气的接触多少控制温度。

原理分析：热敷袋利用铁粉氧化发热原理，通过控制药品与空气的接触多少来控制温度，在热敷袋外贴上控温贴就是减少铁粉与氧气的接触。只要外层的不透气性袋不打开，氧化发热剂不会氧化，便可长期贮存。

四、“化学发热剂”的应用

1．医疗上的应用：治疗跌打损伤、关节肿痛时，常常需要热敷，但用普通暖水袋体积太大，使用很不方便，且温度难以控制。若用电热设备与人体长期接触，既不安全又不方便。

2．军事上的应用：现在伞兵的生活也因为化学发热材料有所提高。以前伞兵主食只有压缩饼干一个品种，没有加热装置，到寒冷地区后，由于没有燃料，只能干嚼饼干，吃冰冷午餐肉罐头。一种袋装加热装置，只需往加热袋中注入少量水，袋中内置特殊材料便瞬间发热。

3．生活中的应用：（1）商店的“暖手蛋”是用醋酸钠溶液结晶时发热制成的。把袋内的金属片弯曲，溶液马上结晶并放出热量，温度达50 ℃左右，放在衣服口袋里，可以暖手1小时左右，在冬天里带几个“暖手蛋”外出，可以防双手冻伤。

（2）“防寒鞋”。在鞋的前鞋膛内设有生热腔，在生热腔内装有生热袋，在鞋后跟部有进气孔。随着脚起脚落，空气进入鞋腔内使生热袋发热。

（3）食品加热。带自热自冷装置的新型金属易拉罐，启动后，即发热（制冷）加热（冷却）容器中食品。利用的是生石灰与水反应放热的原理。

（4）不用电的电器。现在有种不用电的熨斗，熨斗内装有生石灰，灌水30秒后，熨斗温度可达100 ℃左右，可使用10分钟，更换发热体后可再次使用。

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