冯大诚的个人博客分享 http://www.blog.sciencetimes.com.cn/u/fdc1947 交流思想 交流文化

博文

从电动自行车夏季起火事故频发说起 精选

已有 4727 次阅读 2021-8-18 08:22 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

从电动自行车夏季起火事故频发说起

日前,全国各主要媒体平台都登载了下面的报道:“电动自行车起火爆炸事故频发,夏季增幅达56%,非法改装是事故关键”。报道指出,私自非法改装电池是起火的重要原因。

私自非法改装电池一年四季都有,为什么夏季会事故频发,比其他季节增加这么多呢?

这里其实是有它的科学道理的。同时,我还想起来半年多前关于电动自行车以及电动汽车的大量报道。这些报道称,在寒冬天气里,许多人都说电动车不好使,也就是说,它的电池不耐用了。

这两件事情的道理是一样的,更准确地说,这是一个事物的两个方面。

我们现在电动自行车和电动汽车所使用的电池,准确地说,使用的蓄电池,不管是老式的铅蓄电池还是新式的锂电池,都是化学电池。它们都是利用化学反应来实现充电和放电。而化学反应的速率是与温度密切相关的,温度越高,反应的速率越快。

为什么温度越高,化学反应的速率越快呢?

在弄清楚这个问题之前,需要把上面这句话作一个说明。许多实际存在的化学反应是很复杂的,但是,复杂的反应是由多个简单反应组成的,因此可以分解成各个简单反应之和。而这里的化学反应是指不能再分解的简单反应。对于这样的简单反应,温度越高,反应的速率越快。

一个分子体系是由若干原子构成的。而只有组成分子的各个原子之间的距离以及它们之间形成的角度(以及二面角)处在一定范围之内时,这个分子才是稳定的。比如,水分子由一个氧原子和两个氢原子构成,而只有当氧原子与氢原子之间的距离为0.096纳米附近,氢氧氢之间的夹角为104.5度附近时,水分子才是稳定的。大于或小于这些值,分子都将不稳定。

分子的所谓稳定,就是它的能量处于一个极小值。这就像一个球,放在地上,只有处在一个坑里(即最低洼处,就是势能最低的地方),它才是稳定的。如下图所示

mmexportebf7b0c21dda7f92543de690edfede37_1629094733885_edit_699981956919752.jpg

所谓化学反应,一般就是由一个稳定体系A变为了另一个稳定体系B。A和B两个体系中原子的个数是相同的(这是化学反应中的物质量守恒和电荷守恒的根据),只是这些原子之间的位置发生了变化。

例如两个氢原子组成一个氢分子,是一个化学反应。体系A是两个相距很远的氢原子,体系B也是两个氢原子,不过它们之间的距离就变成了0.074纳米。

对于一般的化学反应,体系A是一个稳定体系,它处在一个能量的最低处(在一个坑里),体系B也是一个稳定体系,它处在另一个能量的最低处(在另一个坑里)。化学反应由体系A变成体系B,也就是说要分子的能量从一个坑里跑到另一个坑里。要想从一个坑里跑到另一个坑里,途中必定会路过比两个坑底位置更高的一个高处。

势垒.jpg

如上图所示,从A点到B点,其间必定要经过比A、B两点都高之处,当然路径可能有许多条,各条路径需要翻越的高度也不相同,假定这许多路径中,高程最低的是经过C。

一个分子怎么能够从A点经过C点到B点?就需要这个分子要有足够大的动能,才能够从A点跑到C点。或者说,只有这个分子的动能要比C点与A点之间的势能差(称为势垒)还要大才行。一般情况下,动能小的分子是不能越过C点跑到B点去的。也就是说,只有具有足够动能的分子才能够从A点跑到B点,完成这个化学反应。

温度是整个反应体系中分子平均动能的表示。温度越高,分子的平均动能越大,具有高动能的分子越多,可以完成化学反应的分子就越多,化学反应的速率就越快。反之,体系的温度低,具有高动能的分子就少,可以完成反应的分子就少,化学反应的速率就慢。

蓄电池,无论是铅蓄电池还是锂电池,都是利用化学反应来储存和获取电能。在充电时,人们把外来的电能转化成体系的化学能储存起来。放电时,再把这种化学能转化成电能而放出。

蓄电池的化学反应,在两个电极,是极快的电极反应,在那里只是得失电子,不涉及原子位置的运动,没有势垒问题,反应速率与温度无关。与温度关系大的是带电的离子在两个电极之间的电解质中的运动。

在低温时,离子在电解质中运动变慢,所以使得整个反应速率变慢,电池显得动力不足。在两个电极之间的电动势差(这是离子在电解质中运动的驱动力的源泉)较小时,就难以运动了,因而电池的运作就难以进行下去。这是人们在冬季寒冷时感到电池电量不足,容易耗尽的原因。

相反,温度高,在电解质中运动的离子就能够较为顺利地运动,从而使得电流较大。实际上,电流增大能够(仅仅是能够)使得电池发出更大的热量从而使得电池的温度更加上升。这种效应我们容易感觉得到,例如我们的手机在充电时或手机长时间运行时,电池的温度总是上升的,我们感到手机发热。

电池的电流是受外电路影响的,如果外电路的电阻、电容等因素都正常,一般情况下,电池温度略高(如在夏季)并不会影响电池的使用,也不会出现大的问题。

但是,一旦外电路出了问题,也就是说,外电路的电阻、电容等与原来设计的情况出现了较大偏差,外阻小了,那就有可能出现电池内的化学反应速率与温度出现“正反馈”,使得电池温度越来越高,以至于发生火灾。总之,发生问题的最主要原因还是私自改装以及充电器的不匹配。

老式的铅蓄电池,由于电解质溶液量大、流动性好,离子运动受温度的影响较小,所以,无论冬夏,这些问题发生的可能性就比较小。

要减少电动车在夏天里出事故,最根本的问题还是不要非法改装以及一定要用合适的充电器。

化学反应的速率随温度的升高而加快的例子,在生活中处处可见。当然,实际生活中的化学反应,即使是最简单的反应,也总会因为各种原因,需要做一些具体的分析。

大家都知道碱可以去油污,但是热碱水的去污能力远强于凉碱水。这是因为碱与油之间发生了皂化反应,生成的肥皂是表面活性剂,作为表面活性剂的肥皂大大加强了除去物件上污物的能力。温度的升高使得皂化反应的速率加快了许多,所以热碱水的去污效率要高得多,在很多情况下甚至需要把物件放在热碱水中煮沸,以提高效率。当然,现在我们又有了许多新型的高效表面活性剂,需要用碱去污的场合越来越少了。

又如,病毒在低温下能够“生存”很长的时间,在高温下就容易分解。这是因为病毒并不是严格意义上的生物,自己没有生殖的能力。这就与一般化合物有相同之处,它的蛋白质的分解反应的速率,就是与温度有关,温度越高,分解的速率越快。但是,当它进入人体细胞后,由于人体细胞把它们大量复制,再加上细胞的不断分裂再生,致使它们的数量急剧增加。因此,人们戴口罩、勤洗手,减少它们进入人体的可能。病毒不能进入人体或其他生物体,在自然环境中,受热或光照后,就容易分解掉。不管什么病毒,都是如此。我们戴口罩、勤洗手应当是一个防止所有传染病的好方法。

人体细胞内发生着许许多多个化学反应,绝大多数都是很复杂的反应。即使是一种酶催化的一个反应,实际上也是很复杂的反应,由许多个简单反应组成,有正反应也有逆反应,有合成也有分解,有这条途径也有那条途径。各种反应的速率虽然都随温度升高而变快,但是变快的具体的数量关系又不相同。这许许多多简单反应的综合结果,是使得大多数酶催化反应的最佳温度在37℃左右。温度太高或太低都不利于这些酶催化反应(这当然是无数年代进化的结果)。这与我们上面所说的温度越高,反应速率越快并不矛盾。温度越高,反应速率越快只是对于简单反应(严格的术语是基元反应)而言的。






http://www.blog.sciencetimes.com.cn/blog-612874-1300280.html

上一篇:几率、几何及其他
下一篇:大学排行榜与学科评价

17 尤明庆 郑永军 刁承泰 黄永义 李宏翰 代恒伟 李学宽 蒋大和 张晓良 孙冰 王安良 周阿洋 周忠浩 鲍海飞 武夷山 张勇 崔锦华

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-10-18 13:08

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部