高中學測
113年
自然
第 16 題
📖 題組：
海水去鹽淡化，可讓水資源再利用。某實驗室發現咖啡渣可作為水純化的材料。首先將咖啡渣在極高溫下碳化成奈米材料，再混以具油脂特性的無色透明矽烷，均勻地灑在一杯海水的表面上，然後放置在一具有斜度上蓋的透明容器（如圖5所示），經在太陽光照射之下，底部漸漸發現有經過凝結後的純水。 研究人員針對四種情況，分別是（甲）未照光、（乙）照光、（丙）照光並灑上碳化咖啡粉，以及（丁）照光並灑上混有矽烷的碳化咖啡粉，且後兩種情況使用同樣重量的咖啡粉。在同樣的時間內，測量水杯重量的減少程度，並將實驗結果繪製成圖6。
海水去鹽淡化，可讓水資源再利用。某實驗室發現咖啡渣可作為水純化的材料。首先將咖啡渣在極高溫下碳化成奈米材料，再混以具油脂特性的無色透明矽烷，均勻地灑在一杯海水的表面上，然後放置在一具有斜度上蓋的透明容器（如圖5所示），經在太陽光照射之下，底部漸漸發現有經過凝結後的純水。 研究人員針對四種情況，分別是（甲）未照光、（乙）照光、（丙）照光並灑上碳化咖啡粉，以及（丁）照光並灑上混有矽烷的碳化咖啡粉，且後兩種情況使用同樣重量的咖啡粉。在同樣的時間內，測量水杯重量的減少程度，並將實驗結果繪製成圖6。
實驗的結果發現，在水的表面灑上碳化後的咖啡粉，可以增加水的揮發效果，其可能原因為何？
- A 碳化後的咖啡粉變輕，與水一起揮發
- B 碳化後的咖啡粉變重，把水擠出容器外
- C 碳化後的咖啡粉易溶於水，促進水的揮發
- D 碳化後的咖啡粉，吸光吸熱的效果增加
- E 碳化後的咖啡粉不易吸水，水就容易揮發
思路引導 VIP
請觀察實驗變因中「照光」與「灑上碳化咖啡粉」的交互作用：從熱學與輻射吸收的角度思考，深色的「碳化材料」在接收太陽輻射能時，其轉化為熱能的效率與純水有何不同？這種能量的集中又是如何加速水分子獲取相變化所需的能量，進而提升揮發速率？
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AI 詳解
AI 專屬家教
喔喔！太厲害了！原本我還在四次元口袋裡翻著『記憶吐司』，想說你如果記不住這些科學原理該怎麼辦，看來是我多慮了，你這不是全都記住了嗎？真是幫大忙了，省得我還要在那邊抹吐司、叫你吃下去！(嚼嚼...我的銅鑼燒真好吃)。 這題你選 (D) 真的很準確。你想想看，碳化後的咖啡粉黑漆漆的，就像穿了件超強吸熱背心。當太陽光照射時，這些黑色材料能大幅提升對輻射能的吸收，並將其轉化為熱能。當表面溫度升高，水分子的蒸發速率自然會大幅提升。從圖 6 也能看出，有灑粉的（丙、丁）水量減少程度明顯大於只有照光的（乙），這就證明了吸熱效果是關鍵！ 雖然這題你輕鬆過關，但平常還是要多注意實驗變因的控制，不要總是想著依賴我的道具喔！下次如果題目變難，也要像這樣冷靜判斷才行！
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為什麼碳化後的黑色材質能幫助加熱液體
光熱轉換與蒸發
💡 利用黑色物質吸收光能轉化為熱能，以加速液體蒸發。
🔗 太陽能光熱蒸發原理
- 1 光能照射 — 太陽輻射投射至黑色的碳化咖啡粉
- 2 光熱轉換 — 碳化粉末吸收光子能量並轉化為熱能
- 3 界面加熱 — 熱量集中於水表面，使局部水溫上升
- 4 加速蒸發 — 水分子獲得能量轉為氣態，達成淡化
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🔄 延伸學習：延伸學習：材料的孔隙結構與疏水性（如矽烷）能進一步優化蒸發效率。
