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            生活科普:“氫氣球”里,到底是充氫氣,還是充氦氣?
            發布時間:2022-08-17
            瀏覽次數:497

            版權歸原作者所有,如有侵權,請聯系我們

            回憶起童年好像總是少不了氣球的身影。記憶里的場景中,不論是公園里或是街道邊,總會有賣氣球的攤販頭頂著一團云般的卡通氣球,不緊不慢地吆喝著。

            從經典的米老鼠、葫蘆娃,到藍貓、淘氣,再到喜羊羊和小豬佩奇,賣氣球的人似乎永遠知道什么是孩子們的心頭好。

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            圖片來源:作者拍攝

            這些童年的“小伙伴”們,大家給了它們一個統一的名字——“氫氣球”。

            不少細心的小伙伴也許會疑惑,為什么氫氣球能漂浮在空中,而我們自己用嘴吹成的和用打氣筒打出的氣球卻不能漂浮呢?

            想知道答案嗎?今天就帶你一次性了解清楚氫氣球的前世今生。

            Part.1

            氫氣球的前世今生

            小朋友的訴求往往很簡單,“能飄到頭頂“,就是他們對于一個合格氫氣球的最高要求。然而,歷史上的氫氣球可不僅僅只是飄到頭頂而已,它們還具有載人載物的功能呢。

            世界上第一個氫氣球誕生于1780年,由法國化學家布拉克把氫氣灌入豬膀胱得以制成。

            而世界上首飛的不載任何乘客和貨物的氫氣球由雅克·查爾斯教授(Jacques Charles)1783年8月設計實施。1783年12月1日,雅克·查爾斯和尼古拉斯-路易斯·羅伯特駕駛著他們的第二個氫氣球進行了載人飛行。

            隨著時間的推移,氫氣球的種類和作用不斷豐富,有用于飄浮廣告條幅的商用氫氣球,有探測高空的氣象用氫氣球以及節日和玩具用小型乳膠氫氣球等。

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            圖片來源:veer圖庫

            然而,不管氫氣球作何用處,它的填充氣體其實只有氫氣和氦氣。沒錯,盡管它叫氫氣球,偶爾也還是可以用氦氣作為填充氣體的。

            之所以選用這兩種氣體,還要從氫氣球的漂浮原理以及氣體的物理化學特性講起。

            Part.2

            氫氣球的漂浮原理

            根據阿基米德定律(Archimedes law,又稱浮力定律),浸在液體或氣體中的物體會受到向上的浮力,浮力的大小等于物體排開的液體或氣體所受的重力。

            具體來說就是,氣球填充較低密度氣體后,體積膨脹排開空氣,而排開的空氣重量就是氣球所受到的浮力(原理圖如下)。

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            氫氣球漂浮原理圖(作者制作)

            由于低密度空氣比同體積的空氣輕,即使加上氣球外皮的重量,氣球整體受到的重力也較輕。于是乎,浮力大于重力,氣球就飄起來了,然后越飛越高。

            那什么樣的氣體可以使氣球飄起來呢?

            我們先來看看常見氣體的標準密度(單位:千克/立方米)

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            上表列出了部分常見的低于空氣密度(1.29 kg/m3)的氣體,其中氫氣、氦氣、氨氣及甲烷等明顯比空氣輕。

            其實,理論上來講只要將上述幾種氣體充入氣球,氣球便可以輕松漂浮起來,不過有的氣體由于自身的特性所以并不太適合作填充氣。

            其中,氨氣具有強烈刺激性臭味,且容易被吸附在皮膚黏膜和眼結膜上,從而產生刺激和炎癥。作為廁所下水道的臭味源頭,氨氣被填充到氣球里,實在不是一個討喜的行為。

            甲烷則是家用天然氣的主要成分,和氫氣一樣易燃易爆,但遠比氫氣重。所以,市面上可以飄起來的“氫氣球”的填充氣往往就是氫氣和氦氣了。

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            圖片來源:veer

            氫和氦是宇宙中含量最多的兩種元素,但在地球大氣中含量卻極少。據統計,由于大氣逃逸,在我們這個地球上,每年約有9.5萬噸氫氣和約1600噸氦氣逃逸到宇宙中。

            但幸運的是,由于地球富含水及各種含氫化合物,所以氫氣實際上并不難獲取。不過作為惰性氣體的氦氣,卻很難與其他元素形成化合物,所以氦氣的獲取途徑有限。

            整個巖石圈每年估計會產生3000噸氦氣,這些氦氣往往會被天然氣捕獲并富集,而人類可以通過開采天然氣將氦氣分離提純出來。氦氣是一種不可再生資源,天然氦氣是目前工業制備氦氣的唯一來源,這使得目前全世界的氦氣資源已經發生了全球性的短缺。

            作為應用于軍工、科研、醫療、工業等領域的稀有戰略性物資之一,氦氣的價格也遠遠超過氫氣。

            受限于成本,即便氦氣安全性更高,市面上“氫氣球”里面的充裝氣大部分還是名副其實的氫氣。

            Part.3

            氫氣有危險,玩耍需謹慎

            在這些充裝了的氫氣的漂亮氣球背后,其實蘊藏著巨大的安全與環境隱患。近幾年,因氫氣球爆炸致傷致死的案例屢見報端。

            有新聞報道顯示,2014年,某地一購物廣場開業慶典活動中,一只廣告氫氣球脫落后飄至數百公里外的另一地區,被一名兒童發現后,將氣球撿回家中,數日后氣球發生爆炸,致房屋倒塌,造成兩人死亡、三人受傷的慘劇。

            氫氣易燃易爆,它在空氣中的爆炸極限是4%~75%之間。這意味著,在空氣里,只要氫氣含量達到這個范圍,哪怕只有一點明火,也會發生爆炸。

            更令人擔憂的是實際的生活場景中,氫氣球的氫氣極易泄漏,而且無需明火,僅僅是橡膠摩擦產生靜電引發的電火花,也足以引燃或引爆氫氣球。

            而且很多氫氣球里填充的氫氣不夠純,再加上灌裝過程中可能會混入少量空氣,這使本就危險的處境更加危險。

            實際上,早在2006年7月,國家氣象局等多部門就聯合下發了《關于進一步加強施放氣球安全管理工作的通知》,提倡以惰性氣體取代氫氣等易燃易爆氣體作為施放氣球的填充物,以減少安全隱患。

            綜合看來,氦氣作為惰性氣體,具有極強的穩定性,不會像氫氣一樣在身邊成為一個定時炸彈。并且它的密度也很低,足以給氫氣球提供足夠的升力。

            所以為了大家的安全,在選購氫氣球時,一定要優先選擇用氦氣填充的氫氣球,同時也要將危險性告訴周邊的小朋友,盡量遠離氫氣球。

            參考文獻:

            [1]Austerfield, P. J. From hot air to hydrogen: filling and flying the early gas balloons. [J]Endeavour,1990,14(4):194–200.

            [2] Zartman, R. E.; Wasserburg, G. J.; Reynolds, J. H. Helium Argon and Carbon in Natural Gases" (J).Journal of Geophysical Research.1961,66(1): 277–306.

            [3]劉建湘.淺議氫氣球的安全施放[J]環境保護,2016,3.

            出品:科普中國

            作者:X-Y(中科院大連化學物理研究所)
            監制:中科院計算機網絡信息中心
            編輯:王婷婷

            文章僅代表作者觀點,不代表中國科普博覽立場

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