说起热,我们有丰富的体验。例如把手伸进热水中,我们会感到热;在炎热的夏季,烈日当空,我们走在阳光下会热得汗流浃背;穿的衣服多了再加上剧烈的运动,我们会有热的感觉,这时会下意识地把外套脱掉……这些都是我们日常对于热的反应,可见在生活中我们可以感知到的热有很多很多,下面就让我们一起走进生活中能感知到的热世界吧。
1.冷热自知
冷热是我们对于自然界的一种最普遍的感受了。自然界对我们的身体和活动影响很大,太热或者太冷的感觉都会给我们的正常生活带来一些不便。所以人们一般喜欢阳春三月和秋高气爽的九月,而很少会有人喜欢暑气逼人的六月以及寒风凛冽的寒冬腊月。
在我们的日常生活中,关于冷热的感受也有很多,比如你把一只手伸到温水当中,一只手伸到凉水当中,大家也不妨照着做一下,看看是什么感觉。这时候在凉水中的那只手体会到的肯定比较冷(相对于在温水中的那一只手)。
其实,冷热的感觉是相对的,并不是绝对的。另外不同的人对于同一物体的冷热感受也会有很大的差别。
2.热胀冷缩
日常生活中存在着很多热胀冷缩的例子,热胀冷缩是物体的一种基本性质。一般说来,物体在一般的状态下,受热以后会膨胀,受冷的状态下便会缩小。
其实所有物体都具有这种性质。比如夏天在架电线的时候要架得松一点,以防止冬天电线在遇冷收缩时断掉;一般工人在冬天铺设铁轨时,铁轨之间要留有一些空隙,这样做也是为了防止在夏天的时候铁轨受热膨胀,使得衔接处凸起来,那样容易发生火车出轨事故;工程师在建造桥梁的时候为了使桥梁有膨胀和收缩的余地,同样在桥梁上设置伸缩缝,或者在地基上设置上滚轴,以免发生翘曲。
另外我们身边关于热胀冷缩的例子还有很多很多。比如说我们买到一瓶冰冻罐头却很难打开,如果你把罐头放在热水龙头下,让热水冲一会罐头瓶的盖子,这时你再打开盖子的话就会容易了;我们的自行车车把的塑料套用热水浸泡之后很容易就套在了车把上,而当冷却之后,你要把它取下来的话就没那么容易了。
3.生命获益于冷胀热缩
前面我们简单地介绍了一下热胀冷缩,接下来我们要介绍一下冷胀热缩。我们知道,如果物体所受外界压力不变,大多数物体的体积都会随着温度的升高而增大,这就是我们所说的热胀冷缩。
而冷胀热缩与大多数物质的性质相反,比如在0℃~4℃的温度范围内,水的体积却随温度的升高而减小,这就是说,水在0℃~4℃之间是冷胀热缩。水的这一反常性质,对江河湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义。
当寒冷的冬天降临时,随着气温的降低,江河湖泊中的水温也会越来越低。我们不妨设想某一个湖泊,假使这个湖泊的全部湖水温度处于10℃,再假设这个湖泊上面的空气的温度是——10℃,这时候湖表面的水就会变冷,比如说温度降到9℃。这部分水因变冷而会收缩,这时候水的密度比底下较暖的水要大,因而沉入下面密度较小的水中,下面的10℃的水上升。冷水的下沉引起一个混合过程,此过程一直持续到湖泊中的所有水冷却到4℃为止。但是表面的水还要被冷空气继续冷却降温,表面水的温度还会进一步降低,假如这时候水温降到3℃,这部分水的体积不但不会缩小反而会膨胀。就是表面水的密度比下面小,因而就浮在水面上不再下沉。这时候对流和混合都停止了(当然扩散不会停止),表面下的水基本上靠热传导散失内能。
一般来说水是热的不良导体,因为是不良导体,所以散热是比较慢的。表面水的温度,要早于下面的水降至0℃,并较早开始结冰。冰的密度比水小,所以一直浮在水面上而不下沉。冰下面的水,从上到下温度为0℃到4℃,从上到下逐渐结冰。由于通过热传导而向上散热比较慢,并且有地热由底下向上传导,因此冻结的速度是缓慢的。如果湖泊的水很深,湖水是不会被冻透的,湖泊中生存的动植物就可以在靠近湖底的4℃的水中安然度过整个寒冷的冬季。这就是我们看到的在寒冬腊月的时候湖泊里的植物不会被冻死的原因。
假如水的性质也像其他大多数物质那样,在全部温度范围内都是热胀冷缩的,那么温度较高的水不断升到水面,向空气中散热,湖泊中水的冻结就会从底部开始,从而容易导致湖泊中的水全部冻结。这样一来,就毁掉了湖泊中的一切经不起冻结的生命。
4.水火也有相容的时候——用冰取火
用冰取火?你相信吗?水火不相容,这可是自古的俗语。冰遇到火会很快地融化,用冰取火简直就是天方夜谭。但是如果借助光的一点能源,用冰透镜我们就不愁做到用冰取火了。
作家儒勒·凡尔纳在他的科幻小说《荒凉的冰原》里就对制作冰透镜的过程做过出色的描绘。故事是这样的,在一场叛乱中,北极探险的船长和他的追随者被丢弃在一个茫茫的冰原上,在他们身旁,只有一艘破损了的船。他们从船上取来一些木柴和食品,并用仅剩的燧石和打火镰在冰原上生起了火。可是在他们追杀一只北极熊的时候不小心把火给弄灭了,这时候他们发现燧石和打火镰也不知道哪去了,找不到了。在冰原上,没有火,就意味着会被冻死、饿死。
船长看看周围的队友,大家都面面相觑无计可施,船长不禁叹气,仰首问天,我们该怎么办,怎么办?阳光是那么的灿烂,仿佛在对着他们微笑。船长想,要是有一块放大镜就好了。我们知道,用放大镜可以将光线聚焦,随着热的产生慢慢就可以生火。可是,这里茫茫一片的都是冰,什么也没有。对了,不妨用冰试着来制作冰透镜,说不定就可以搞定了。
他们挑选了一块直径大约是30厘米的洁净的冰块。先用小斧头劈成形,再用小刀削光,然后用手小心翼翼地把它的表面擦亮。终于,一块像水晶般的冰透镜做好了。
有了冰透镜,用冰透镜取火,就不是一件困难的事情了。只要将冰透镜对着阳光,让光线透过冰透镜聚集,并在焦点处放些纸、木屑等易燃物品,一会儿,透过冰透镜聚焦的光线,果然将这些易燃物品点燃了。
5.井水是冬暖夏凉吗
在炎热的夏天喝一口井水马上就会有清凉可口的感觉。这是什么原因呢?难道井水会自动调温不成?
其实,四季井水的温度并没有多大的变化,变化大的倒是地面上的温度。井水冬暖夏凉,其实只是相对于地面上的温度来说的,绝不是冬天井水的温度比夏天的温度高。
我们生活的地球表面由于直接受到日晒和气流的影响,气温变化很大,夏天总是比冬天要热很多,在夜间的时候总是比在白天的时候要冷一些。地下的泥土不能直接从大气中吸热,也不能直接向大气中散热,泥土传热很慢。
井水是聚集在地下深处的水,它的温度同地下深处泥土的温度差不多。当夏季太阳一出来,地面上的温度很快就开始上升,但地下的温度总是升得不那么快,这时井水的温度总比地面上空气的温度要低很多,我们喝起来就觉得它特别凉。
到了冬季,寒风一起,地面温度很快就会下降,地下温度却降的不是那么快,这时候井水的温度也就比地面上空气的温度要高。因而产生了井水冬暖夏凉的感觉。
如果我们用温度计量一量,就会发现在较浅的水井里,井水的温度也是夏天比冬天高的。不过它的变化没有地面上温度的变化大,一般相差也就三四度;而地面上冬夏的温度却相差几十度。
其实不仅是井水有冬暖夏凉之感,地窖也同样有冬暖夏凉的感觉。冬季利用地窖存储水果、蔬菜可以防冻;夏季用地窖来存储水果、蔬菜可以防腐。
在我们城市的街道下面,埋设着自来水管,一般情况下在滴水成冰的严冬,水管也不会有冻结的现象。但是露在地面上的水管,就必须用塑胶或橡皮之类的东西包扎起来,否则就会冻结,甚至把水管胀裂。
6.棉袄给你的温暖是真是假
棉袄会真的给你温暖吗?我们的回答通常是肯定的。但是如果我说棉袄不会带给我们温暖,是不是以为我在和大家开玩笑呢?
当天气变冷,我们穿上棉袄会感觉一下子暖和了很多。可是你如果跟着我做下面的这个实验,就不会这么说了。我们拿一支温度计,注意把它的温度记下来,然后我们把温度计放在棉袄里面,用棉袄把它裹起来。几个小时过后,我们把它拿出来看看,温度计上的水银柱一点也没有上升,还是原来的位置。这说明棉袄没有给温度计什么温暖。
你如果还不相信的话,不妨拿一支冰棒用棉袄盖好;再拿另一支冰棒放在桌子上。等到桌子上的那支冰棒融化完了,我们再解开棉袄看看这只冰棒的情况。很奇怪,棉袄里面的这一支冰棒几乎还没开始融化。棉袄不但没有给冰棒加热,而且还在使它保持冷却,使它融化得更慢。
这就是棉袄不会给人温暖的证明。那么,为什么穿棉袄会令我们感到温暖呢?
火会给人温暖,太阳会给人温暖,食物进入人体也会给人温暖,因为这些东西都是我们身体的热源。但是棉袄不是我们身体的热源,它是一种不良导热体,所以不会给人以温暖。但是它可以阻止我们身体的热量跑到外面去,因此能帮助我们保持身体的温暖。
夏天我们用小棉被盖着冰棒,冰棒就不容易融化。冬天下雪,雪花不仅不会冻死农作物,反而能保持大地的温暖,它们的道理都是一样的。
7.蹈火舞者不怕火
蹈火舞是一种很神秘的舞蹈,自古以来人们一直不曾揭开它神秘的面纱。蹈火舞盛行于古代的波斯,后来流行于巴尔干半岛的保加利亚等地。现今,太平洋斐济群岛、南美洲的苏里南及印度和非洲的一些部落也十分盛行,一般是在月夜举行这种特殊的舞会。
每当夜幕降临,村旁的篝火早已成为了一堆赤色的炭火。当太阳吐露着最后一点残辉,这时,人们会陆续从自家出来把炭火向四周耙开。珍珠般的炭火粒平整而厚实地铺在地面上,就像一个赤红耀眼的地毯。当火焰“地毯”上零星的火舌开始消失,只有炭火粒在黑暗中闪烁着赤色的光芒,这时候乐队奏起悦耳的音乐。火焰地毯周围的人们会跟着乐曲的节拍鼓掌,不一会,一群男女舞蹈者赤着脚奔向火焰地毯,在炭火上手舞足蹈,从嘴里哼出优美的歌曲。
我们不禁奇怪,蹈火舞者赤脚踏在炭火上,脚掌的皮肤为什么不会被灼伤呢?有人认为这种舞蹈很神秘,于是这些蹈火舞者也变得神秘莫测。有的人认为像这样接触火肯定会被灼伤,不灼伤是不可能的。其实不然,这其中的主要原因是人们普遍认为人体一旦接触炽热的物体,皮肤的温度马上会升高到和所接触的物体一样高。事实其实并不是这样的,有人利用热传导公式计算过。假定炭烧到600℃,炭的热活动量是100个单位,皮肤的热活动量是1500个单位,人的体温是37℃,可以根据公式计算出脚掌皮肤的温度仅仅升高了35℃。也就是说,脚掌皮肤的温度总共是37℃ 35℃=72℃。这个温度与炽热的炭火温度(600℃)相比来说显然是小巫见大巫。
当然,话又说回来,脚掌上的温度升高了35℃也是很不好受的,脚底的皮肤还可能产生灼伤,出现红肿现象。蹈火舞者一般不会受伤是因为他们训练有素。首先,舞蹈者经过长期锻炼,脚掌上有了一层厚厚的老茧皮,跳舞时好像是穿了一双很薄的鞋子,保护着脚掌不被灼伤。其次,事先做了充分的准备,舞池中的炭火要敲碎成豆粒那样大小。细小疏松的木炭可以减少热活动量,使得脚掌的温度升高得不太厉害。当然,还要十分注意不使木炭中夹杂一些热活动量大的物体,如石块、铁钉等,以免灼伤脚掌皮肤。
8.冰能“烧”开水吗
冰能烧开水吗?这个问题恐怕大家都不屑于一答,按照我们的常识,冰只能冷却水,怎么能“烧”开水呢?的确,在通常情况下,冰是很好的冷却水的材料,而且还可以阻止水的沸腾。但是在特殊的情况下,冰是能让水沸腾的。
我们不妨做这样一个实验,在烧瓶内灌半瓶水,放在火上加热,待水沸腾后将烧瓶从火上取下并用塞子将瓶口塞住,这时候,沸腾就会停止。然后,我们把瓶子倒过来在瓶底上放一些碎冰,立刻会看到水又重新沸腾了起来。
原理其实很简单,液体的沸点与液面上空气的压强有关。压强高,沸点高;压强低,沸点低。当我们把瓶口塞住时,瓶中只有滚热的水和水蒸气,瓶中的空气几乎全被水蒸气赶跑了,液面上只有蒸汽压强,没有空气压强。我们在瓶底放上碎冰后,瓶底冷却使水蒸气凝结成水滴,因此水面上压强较低,沸点也降低,所以,水又重新沸腾了起来。
9.钢轨之间为什么有空隙
不知道大家坐火车的时候有没有注意铁道上的钢轨并不是一根紧挨着一根放置的,它们的中间都留有一定空隙,你知道这是为什么吗?
我们知道,物质的密度不是一个常数,它与外界条件有关,特别是与温度有关。通常我们认为水的密度是每立方厘米1克,是指压强为一个大气压,水的温度为4℃而言的。当温度大于或小于4℃时,水的密度都要变小。因而温度大于或小于4℃时,水的体积都随温度增大,也就是我们前面说到的热胀冷缩或冷胀热缩现象。
铁轨的材料是钢材,钢也有热胀冷缩的现象。外界的温度升高,钢轨就会变长,当外界的温度降低,钢轨又要缩短,物质长度与温度的关系在物理学上可用下列公式表示:
1=10(1 at)
l是温度t时的物质长度,l0是t=0℃时的物质长度,a表示这种物质每升高1℃膨胀的长度,称为膨胀系数,通常a为常数。我们现在来从钢轨的伸长看看一条北京至南京的铁路夏天比冬天要长多少。
钢材的膨胀系数约为十万分之一,就是a=1×10——5.假定冬天钢轨温度是——20℃(我们用手触摸时,会觉得钢轨极其凉),夏天时钢轨在太阳光下的温度为60℃。北京至南京的铁路全长为1200千米,利用上面的公式,稍加计算后我们就知道,夏天这条铁路要比冬天长720米。如果铁轨都是相互密合的,则铁轨随气温的升降就要相互挤压、牵拉,结果当然是挤坏铁轨及火车站,其后果可想而知。于是聪明的设计者就想到利用许多根很短的铁轨来铺铁路,每根铁轨之间均留有缝隙。假定每根铁轨长为5米,则1200千米铁道需要24万根铁轨,也即有24万个空隙。这样在冬天与夏天之间,在每个铁轨衔接处只要留下3毫米空隙,就能抵消全程720米的热胀冷缩变化了。
10.钢桥经不起严寒
你相信特别寒冷的天气可以把坚固的钢桥毁坏吗?在1938年3月14日这一天,位于比利时东北部的哈塞尔城正被零下15℃的寒冷包围着。突然,市中心横跨阿尔伯特运河的钢桥上,响起了震耳欲聋的轰隆声。出人意料的是一座建成不到两年的钢桥,竟然在顷刻之间折成三截,坠入河中。然而,时隔两年,还是在这条运河上,另一座钢铁大桥在严寒中又遭到了同样的悲惨命运!
如出一辙的例子还有,比如在1951年1月31日,加拿大的一座钢结构桥——奎北克桥在零下35℃的气温下被毁坏了!
这些惨痛的事实引起了科学家们的高度重视,后来经过科学家的一致努力和孜孜不倦的探索,答案终于被科学家们找到了。
导致这些坚固的钢桥毁坏的原因就是任何固体材料都会有弹性,而材料的弹性是有一定限度的,一旦所受的力超过其弹性限度,材料就会被折断。材料的弹性不仅与材料本身的结构密切相关,而且还随温度的变化而变化。如果钢材在低温情况下,它的弹性限度会大大下降。当它承受不住外来的压力时,桥上的钢材就会产生裂缝,以致大桥坍塌。因此,科学家在设计大型建筑时,必须高度重视钢材的抗寒能力,量材施用。
11.逆温
唐朝著名诗人白居易在《大林寺桃花》一诗中这样写到:“人间四月芳菲尽,山寺桃花始盛开。”这两句诗所描写的意思是:山脚下繁花盛开的季节已经过去了,而高山上寺庙附近的桃花却刚刚盛开。现在我们跳出诗的意境,从另一方面看待这一句诗,我们就会发现诗中隐含的意思是高山上的季节比山下要来得晚。进而我们可以推知山上的温度要比山下的温度低得多。
大家都知道,地球大气的温度是随着高度的增加而降低的,就是说如果每升高1千米,温度就要降低6℃左右。因此,许多高山顶上的温度都在零度以下,终年冰雪覆盖。
但是,以上说的也是一般情况,其实在大自然中温度也有反常的时候。比如春季本来是春暖花开的季节,但是偶尔会出现几天寒风刺骨的天气伴着零星的小雪;夏天雨后初晴、月光普照的时刻,地面因降雨和辐射,温度急剧下降,贴地面的空气温度降低,出现高度上升温度增高的现象。通常情况下我们把这种现象叫做逆温现象,该大气层被称为逆温层。
那你知道逆温层是如何形成的吗?它的形成主要有以下三个原因:
首先是因为空气的水平移动形成了逆温层。我们都知道白天在太阳光的强烈照射下,陆地要比海洋升温快很多。而陆地上被晒热的空气团在风的吹动下,慢慢移向海面。这样一来,海洋表面的空气温度就要比它上一层空气的温度低,使得海面上的气温随高度上升而增加,形成大气逆温层。
其次是地面辐射冷却形成逆温层。比如在暖和季节的晴朗夜晚,白天被阳光晒得炽热的地面,到了太阳落山之后会放出大量的热量,这时候地面土壤的温度就会下降。这样,紧贴地面的空气都冷却了,而较高层的空气还没有来得及冷却,从而形成逆温层。这种逆温一般在日落后出现,在午夜时段加强,黎明前最为强盛,不过在日出时分就会消失。
最后是空气下沉压缩形成的逆温层。我们都知道地球上的空气常常会形成强烈的旋涡。如果旋涡方向是反时钟方向的话我们就叫做气旋,如果是顺时钟的话叫反气旋。反气旋是一个高压区,中心压力最高,空气由中心向外围流。由于地面风的辐射扩散作用,空气向外流散,上面的空气往下沉,同时伴随压缩升温的过程。上层空气由压缩升温,从而形成了逆温层。
12.水的沸腾使你想到了什么
你知道格拉塞吗?接下来我们要说的就与格拉塞有很大的关联。格拉塞于1926年9月21日出生在美国的俄亥俄州克利夫兰市,他一生中最重大的贡献是发明了一种可以探测微观粒子的装置——汽泡室,并因此获得了1960年度的诺贝尔物理学奖。
我们都知道如果把在高山上烧开的水恒温地拿到山下,你会发现沸腾着的水不再沸腾了。这是由于高山上气压较低,水的沸点也较低的缘故。所以如果要在高山上煮米饭一定要用高压锅才行。
如果我们换用非常纯净的水来做上面的实验,就会发现,即使水温超过了水的沸点达到100℃,水还是不会沸腾。这时如果你在水中投入一粒沙子、尘埃或稍稍振荡一下容器,水就会剧烈沸腾起来,从沙子、小尘埃附近产生大量的汽泡。这个现象使格拉塞想到另一个有意义的应用问题:能否根据水的沸腾条件设计一种仪器,来观察人眼无法观测到的微观粒子呢?
其实液体的沸腾,除了在一定的压力下要达到它的沸点外,还要有汽化核。有了汽化核,液体才能围绕它剧烈汽化,从而产生大量的汽泡,这就是我们经常看到的沸腾现象。通常水中含有很多杂质微粒及带电颗粒,它们都可以成为汽化核,因此水在沸点下就能剧烈汽化,这就是沸腾。物理学中很多带电粒子,不仅十分细小,无法用肉眼观测,需用显微镜观测,而且大多以很高的速度运动。如果让这种粒子穿过上述超过沸点而又没有沸腾的液体(这种液体称为过热液体,因为温度超过了沸点而又没有汽化)时,就会在粒子运行的轨迹上产生大量汽泡,这样你通过观测这些汽泡就可以“看到”粒子飞行了。
格拉塞发明的汽泡室除能显示粒子轨迹外,还能根据轨迹的大小、浓淡等数据分辨粒子的种类与性质。科学家运用汽泡室,已发现了好几种基本粒子。
13.樟脑丸不见了的秘密
在我们生活中会遇见很多的怪现象。比如说家里面的衣柜为了防止衣服被虫蛀,经常会放上一两粒樟脑丸。但是我们可以发现这些樟脑丸在经过几个月的时间后,就会不见了,那么你知道这些樟脑丸哪里去了吗?
其实樟脑并没有消失不见,当你打开衣柜的时候,会散发出樟脑的气味。问题就在这里,原来是樟脑变成了气体钻进衣服里面了。
我们不禁纳闷,液体通过蒸汽才可以变成气体。樟脑是固体,怎么能直接变成气体呢?我们知道,固体的分子排列是十分紧密的,绝大多数的分子只能在原来的位置附近做无规则的振动。但是在固体的表面总是存在一些运动速度大的分子,能够挣脱邻近其他分子的吸引,跑到固体外面去,这些称为气体分子。大部分的固体物质,只有极小部分变成气体跑掉,而樟脑则有些不同,它可以全部变成气体。樟脑的分子不断跑到空气中,充斥在衣柜的各个角落,起到预防蛀虫的作用。
简单来说,樟脑变成气体是一种升华的现象。就是组成固体的分子,直接挣脱周围分子的引力,从物质表面飞出。没有经历液态的过程,物质就直接从固态变成气态,这种过程就是升华的过程。其实升华的现象在我们生活中还有不少呢,比如冬天我们洗完的衣服挂在外面会结冰,但经过一些时间之后你会发现结冰的衣服也慢慢干了,这就是因为衣服上的冰直接升华成气体跑掉了。
14.雾凇美景的奥秘
上面我们说过了升华的现象,现在我们来介绍一下凝华的现象。凝华就是气体遇冷没有变成液体而直接变成固体的一种现象。我们在冬天经常看到的雾凇景观就是凝华的现象。
每年的冬天,尤其在美丽的松花江到吉林市长达十几千米的江面上,在——20℃到——30℃的气温下,我们就会看到壮观的雾凇景观。
雾凇通常叫做树挂,也有叫雪柳和银枝的。它具有明显的日夜变化,一般从傍晚开始,随着入夜气温的逐渐下降,而不断加重,到第二天的午后会随着气温的逐渐升高而减弱以至脱落,一般这种现象可以持续20个小时左右。
虽然说雾凇是凝华的典型例子,但是雾凇的形成也是有一些重要的条件的:气温要低于零下20℃;江面上要有足够的水汽弥漫;有一定的低气压;风不能太大、也不能没有风,而且风的方向也必须合适。只有在这四个条件都基本具备了的情况下我们才可以看到雾凇。
15.抵御寒冷——爱斯基摩人的冰屋子
在冬天,冰是冷的象征,一提到它,人们就会不寒而栗。但是,生活在北极圈里的爱斯基摩人,他们住着的房屋竟然是用冰制造成的,而且他们住在自己建造的冰屋子里面可以熬过严寒的冬天。
北极的冬天并不像我们居住环境下的冬季,在北极圈内,冬天的天气非常奇怪。冬天持续时间特别长,大概有半年以上;北极圈的黑夜的时间也特别长。在爱斯基摩人生活的地方,冬天的太阳,不是早晨从东方出来,傍晚到西边落下,而是每天仅在正南方显露一下。所以人们有种分不清早晨还是傍晚的感觉。在北极圈内,冬天的日照时间非常非常短,那里冬天的气温往往低到——50℃。再加上寒风不断地袭击,爱斯基摩人要想在野外度过冬天,是绝对不可能的事。他们必须想方设法建房保温,防寒过冬。
但是在北极圈里,他们最为常见的就是冰和水了。于是他们就用冰来建造冰屋。他们先把冰加工成一块块规则的长方体,这就是“砖”;用水作为“泥”。材料准备好以后,他们在选择好的地方,泼上一些水,垒上一些冰块;再泼一些水,再垒一些冰块;前边不断地垒着,后边不断地冻结着,垒完的房屋就成为一个冻结成整体的冰屋。这种房屋在北极圈里面非常结实,真可以称作是爱斯基摩人的杰作。
虽然他们建造的房屋令我们称赞,但是你知道他们的冰屋是怎样起到保暖防寒作用的吗?
由于建好的冰屋非常结实而且不透风,这样寒风就吹不到屋子里,所以住在冰屋里的人,不会受到刺骨寒风的袭击。冰素来就是热的不良导体,隔热性能很好,所以屋子里的热量几乎无法通过冰墙传到外面去,这样就保存了很大的一部分热量在屋子里。此外爱斯基摩人建好的冻结成一体的冰屋,都是没有窗子的,他们在门口会挂上厚厚的兽皮门帘,这样可以大大减少屋内外空气之间的对流。
正因如此,冰屋里的温度,可以保持在零下几度到零下十几度,这样相对于零下50多摄氏度的野外,算是暖和很多了。爱斯基摩人穿上暖和的皮衣,在这样的冰屋里实在是没有一点可担心的了。另外由于爱斯基摩人住的是冰屋,所以他们不会在屋子里生火,因为冰在0℃以上就会溶解成水。
时间一点点的过去,住了半年多冰屋子的爱斯基摩人在夏季到来时,由于天气气温会上升到0℃以上,所以他们的冰屋子就会慢慢地溶化。等到下一个冬天到来之前,爱斯基摩人又要再造新的冰屋。
不过随着现代科学技术的进步和交通运输的发展,现代的爱斯基摩人已经有了用钢筋、水泥建造的永久性住宅。但是,回顾历史,冰屋在爱斯基摩人的生存和发展中也起了重要的作用。
16.纸做的锅也能烧水
我们都知道,把纸送到火里面,顷刻之间就变成了灰烬。那么我们用纸来做一个锅,用它来烧水呢,也许你觉得不可思议。但是如果你知道了一个道理,你也就不会这么认为了。
首先的问题就是你知道纸是怎么烧起来的吗?纸是可以燃烧的东西,当它加热到可以燃烧的热度,就会燃烧起来。那么我们有没有办法让热在纸上散掉,不让它达到燃烧的热度呢?我们可以用别的物体来帮助纸散热,比如水、金属。
现在我们来做这样一个实验:找一块比较厚的纸做成一个不漏水的盒子,在盒子里面盛满水,然后放在火炉的铁板上。注意观察,你会发现当盒子里面的水沸腾了,纸盒还是没有烧起来。这是什么道理呢?原因是纸盒随时把接收到的热传给水,所以水到了沸点,就开了,而纸盒却不会烧起来。
同理,你用毛衣针穿过一只装满水的纸杯,搭在两只酒瓶中间,在纸杯下点燃一支蜡烛。过一会儿,杯中的水就烧开了——而纸杯却安然无恙,连一点烤痕都没有。
这其中的原因就是水吸收了纸杯上的热量,在100℃时沸腾。水的温度不会再升高,所以也达不到纸杯燃烧所需要的温度。
17.神刀断案
相传很久以前,有一个部落,丢了一件非常宝贵的东西。大家都不知道谁是那个真正的贼,于是有人向首领建议:“既然不知道谁是真正的贼,不妨把祖先留下来的神刀拿出来,我们可以就此事让神刀判别一下谁是贼。”首领觉得有道理就大声说:“神刀知道谁是罪犯。来人呀!把神刀拿来,请神刀破案。”只见一大汉答应了一声,便从火炉中夹出一把烧得通红的大刀,把它架在人们面前。
首领下令道:“你们每个人都要用舌头去舐一下!神刀只惩罚罪犯,就是谁是罪犯就会烫伤谁,决不会烫伤好人!”
第一个人没有做贼,他相信首领说的神刀不会烫伤自己,便坦然地走上前去,毫不害怕地伸出舌头舐了一下通红的神刀。只听见滋拉一声,他把缩回的舌头重伸出来给大家看。奇怪,他的舌头果真没有严重地烧伤。
后来一个接一个,许多没罪的人都舐过了,他们的舌头都没有被神刀烫伤。最后终于轮到那个偷东西的人,他因为做贼心虚,一直躲在最后。他口干舌燥,满头大汗,心惊胆战地走到大刀前一舐,滋拉一声,他的舌头被烫坏了。于是贼就很容易被抓到了,部落的人都认为是神刀显灵。据说,到了近代,非洲有些地方依然用这种办法来分辨罪犯和好人。
其实神刀断案的说法并不是神刀显灵,而是有科学依据的。在1756年,科学家莱顿弗里特做过一个有趣的实验:他把一把铁勺在炉火中烧得通红,然后把一个小水滴滴到这把铁勺上,看!那水滴居然悬浮起来了,这一滴水大约持续了30秒。为什么水滴会悬浮起来呢?原来,当金属温度相当高的时候,下落的水滴一接触到金属,它的底部马上汽化。汽化的蒸汽来不及跑掉,便形成了一个蒸汽层,这个蒸汽层使水滴悬浮起来。由于水汽不容易导热,水滴暂时得不到更多的热量,汽化的速度就慢下来。
我们可以由以上的科学说法来解释神刀断案的谜,其实“神刀断案”的秘密不在于神,而是跟唾液的多少和唾液的蒸发有关。
我们每个人的口腔里都长着唾液腺,它们不断地向外分泌唾液,滋润着口腔。科学显示成年人每天可分泌约1.5升唾液。有趣的是唾液分泌的多少跟人的心理状态关系很大。当人心情紧张、惊慌时,唾液分泌量减少,往往使人口干舌燥,甚至嗓子都会发干变哑。当人心情平静时,唾液分泌正常,口腔保持一定的湿润程度。
所以没有偷东西的人,心情泰然,唾液充分。他们去舐神刀时,唾液立即蒸发,形成蒸汽保护层,使舌头免于烧伤。偷了东西的人,因为心情紧张,口干舌燥,没有足够的唾液吸热汽化,也不能形成蒸汽层来保护舌头,所以他的舌头被烫伤了。
18.呵气和吹气
到了每年的冬季,室外气温很低,在外面活动的时候手会冻得很难受,这时人们习惯向手上呵气,连续对着手呵气,手就会感到暖和些。
当我们的手被一些热气熏了一下的时候,由于难受,我们习惯会对着手吹气。比如当我们从锅里拿刚出笼的馒头,手烫得难受时,也会向手上吹气。
说到这里你知道为什么呵气时感到暖和,而吹气又会解除烫感吗?
原来,冬天在室外,人手的温度较低,从嘴里呵出的气的温度要高于手的温度,呵出的气速度缓慢,这时热量从呵出的暖气向冷手上传递,提高了手的温度,使手感到暖和。
刚出笼的馒头温度高,用手接触它后,使人产生烫感。当你向手上吹气时,吹出的气速度快,促进了空气的流动,因而加快手上水分的蒸发,水分的蒸发又会从手上吸收热量。这就是吹气使人解除烫感的原因。
19.海水所起的作用
在炎热的夏季,强烈的阳光照射在无垠的海面上,由于海水的比热容大,所以海水把大量的热给吸收了,在海滨的人不会感觉到很热。
在冬天的时候,由于水的温度要降低,这时就会放出大量的热,因此在海滨的人会感到异常的寒冷。
同样的道理,这种现象也出现在昼夜。白天的时候,海水吸收热量,海水的温度上升得很缓慢。当到了太阳落山,海水开始放热,放热时的温度降低也不是很快,使得昼夜气温的差别不是很大。由于海水具有这种调节作用,海滨的气候温度宜人,受到内陆地居住的人们的喜爱,人们就争相前往海滨度假。
20.黑和白的热效应
在烈日炎炎的夏季,我们一般会穿浅色的衣服,很少穿深色的衣服。有人说主要是因为浅色衣服比较容易散热,而深色衣服很容易吸热。事实到底是不是这样的呢,我们不妨自己亲自动手做一个类似的实验。
找两个完全相同的玻璃瓶,在其中的一个玻璃瓶外面涂上黑色,另一个外面涂上白色。然后在两个瓶子里装进质量相同、温度相同的冷水,并且在两个瓶子当中各插入一支温度计,放在太阳下面晒。
过了一会儿我们去观察就会发现,温度计的读数不再相同了,放在黑色玻璃瓶里的温度计指示的温度较高。这说明:黑色物体比白色物体吸收辐射热的本领要强。
接下来我们把这两个瓶里的水倒掉,重新换上质量相同、温度相同的热水,放到冷藏室里。过一会儿发现,两支温度计的读数又不相同了。这一次,放在黑色玻璃瓶里的温度计具有较低的读数。这说明:黑色物体比白色物体向外辐射热的本领强。
从上面的两个实验我们可以得出这样的结论,热辐射与物体颜色的深浅有关。颜色越深的物体,吸收或者辐射热的本领越强;颜色越浅的物体,吸收或者辐射热的本领越弱。
在我国西北的高山上终年积有大量的冰雪,山脚下却经常干旱。新中国成立后,人民政府便派飞机飞到雪山上空,撒下大量的碳屑,给白雪披上黑装。之后太阳一晒,冰雪就会融化,汇成滚滚的水流,流下山来。
我们家庭中广泛应用的太阳能热水器,虽然采用的是新型的太阳能技术,但是在这些热水器的装置中都有一个黑色的采热器。这样就更便于吸收太阳的热量。
在我国北方地区,冬天取暖的火炉会专门涂成黑色,主要是为了增强火炉向周围辐射热的本领。另外人们为了降低幻灯机、变压器的温度,也常常把它们涂成黑色,以增强它们向外辐射热的本领。
宇宙空间没有大气,宇宙飞船只能靠辐射与外界交换热量,因此飞船“外衣”的颜色必须精心选择。一般飞船的外表面都涂成银白色或浅蓝色。当有阳光照射时,由于涂上这种颜色,可以防止飞船温度急剧升高;当没有阳光照射时,又可以起到减弱向外辐射热的作用。在飞船内表面,都涂上黑漆,由于黑色物体吸热和放热的本领都大,这样,卫星向阳面的内侧,因温度较高,容易放热;同时,卫星背阳面的内侧,因温度较低,容易吸热,整个舱内的温度就会比较均衡了。
21.“铁板烧”
不知道大家有没有尝过“铁板烧”,吃过“铁板烧”的人都看过生牛肉丝倒在滚烫的铁板上“哧—哧—哧”作响的情景。但是,几乎没有人想到这里面还有什么学问可以研究。在200多年前德国物理学家莱顿弗罗斯特倒是对类似的现象进行过一番研究,1756年他发表一篇论文论述了水滴在高温表面上所发生的奇怪现象。
一只铁勺子在炉火上烧得通红,将小水滴落到勺里会发生什么现象?根据日常经验人们都会这样回答:小水滴落到铁勺表面就立即被汽化了,表面温度越高水滴被汽化的越快。可是,莱顿弗罗斯特仔细观察了这个过程,发现实际情况并不是这样的。当第一滴小水滴落到铁勺表面时,它的汽化过程竟然长达30秒。而第二滴的汽化只会延续10秒,以后落下去的水滴只保留1~2秒就被汽化了。这究竟是怎么回事呢?这位物理学家当时作出了正确的解释。遗憾的是,他的论文发表后长期不为人们所重视,直到1956年论文翻译成英文后,才引起众多业余科学家的研究兴趣。其中有一位叫罗克萨尔的美国中学生,在1978年,他以《当液体落到灼热表面弹起时发生的莱顿弗罗斯特现象的理论》的论文,获得了美国第37届科学人才选拔赛第八名。
后来经过罗克萨尔等人的进一步的研究,现在对“莱顿弗罗斯特现象”是这样解释的:当第一滴小水滴落到灼热金属表面时,由于弹性作用它会向上反弹。同时在接触高温表面的一瞬间,水滴表面一薄层被迅速汽化,形成了一个厚约0.1毫米的蒸汽层。这层蒸气一方面支持住小水滴,使之悬浮在金属板上,另一方面又起了绝热的作用,使得金属表面的热量不能很快传递给水滴,从而延缓了整个水滴的汽化过程。当第二滴水滴落到金属表面时,由于自然冷却和第一滴水的冷却作用,表面温度已经没有最初时的那么高了。因此,第二滴水表面的水蒸气层就没有那么厚。
由于水蒸气的导热性能比水要差的很多,因此水蒸气层的厚薄对水滴的汽化影响很大。第二滴水的水蒸气层较薄,所以它的汽化就加快了,以后落下去的水滴表面的水蒸气层更薄,所以它们的汽化更快。
22.走马灯知多少
我们都知道,空气有这样一个特质:当它受热之后,体积就会膨胀,因而身体变轻(也就是体积变小了)向上升;受了冷呢,就会收缩变重而向下沉。
走马灯能够自动不停地转动,就是利用空气的这种特性。一般来说走马灯的构造是这样的:走马灯最主要的部分,就是会自动旋转的部分。你知道这部分怎样做到可以自由转动的吗?这往往是一只用半透明薄纸糊成的圆筒形成的纸屏,表面画着彩色的图画。圆筒的内部同普通的灯笼一样点着一支蜡烛。所不同的是这只圆筒装在灯架上一根可以转动的轴上,圆筒底部漏空可以通风,圆筒顶上装有一只纸做的风车。粗略一看,灯中点着的这根蜡烛,它的作用似乎只是照亮那只会转动的圆筒形的纸屏,使得人们能看到上面的图画而已。其实,除了这一点之外,它在这盏灯中间还起着一个重要的作用,就是形成这只走马灯转动的动力。
当这支蜡烛点燃之后,圆筒形纸屏内部的空气被它烧热了,空气一热灯就要上升,当上升的热空气经过纸屏上那只风车的时候,完全同一股风经过的一样,会把它吹得转动起来。这时候圆筒形纸屏内部原有的空气向上跑掉了,外面的冷空气就立刻从下面补充进去。因此,就源源不断地有上升的热空气去吹动那只风车,使得圆筒形的纸屏不停地转动,直到蜡烛熄灭为止。
23.“高斯”号轮船受困南极冰原
人类为了探索南极的秘密,在困难面前从未止步。例如“高斯”号轮船在1903年到了南极洲,轮船刚到就遇上了大风雪。“高斯”号被冻在一望无边的冰原上,进退不能。
大家都非常着急,船员们想了许多办法来解脱困境。他们试着用炸药炸,用锯子锯……然而这些努力都是徒劳的,没有解决问题。
于是大家都陷入了沉思,考虑着还有什么好的办法来解脱困境。正在大家无计可施的时候,突然有人向船长提议:不如把船上的烟灰和煤屑撒到冰上,请天空中的太阳帮帮忙,也许会把冰化开,使船脱险。
尽管船长对于这个建议表示很深的怀疑——南极的太阳光有这样巨大的威力吗?但除此之外似乎没有更好的办法了,只好试一试。全船的人都被动员起来了,大家忙着收集黑灰和煤屑,把这些东西运到冰上去,围绕着船铺了2千米长的一个大圈,并从船的四周一直铺到最近的一条冰缝去。
大家都知道南极的天气和我们这里是不大相同的。在那里,从9月到第二年的3月是白天,3月到9月是黑夜。“高斯”号当然不会在漫长的黑夜到南极去的。因此铺好煤屑之后,连续不断的阳光虽然不能使别的冰发生变化,而煤屑下的冰层却逐渐融解了。受困的“高斯”号终于恢复了自由,向着预定的目标前进。
这其中的道理其实和我们前面讲到的黑和白的热效应是相同的。
24.蹦蹦跳跳的木塞
不知道大家有没有注意到这样的一个问题,当你打开热水瓶的木塞,倒上一杯开水后,然后又把木塞盖上去,木塞像是有弹簧似的,会自动跳出来。而且如果你盖得越紧,它就会跳得越高,像是和人在开玩笑。
你知道这是怎么一回事吗?原来空气是导致这一现象的“元凶”。
其实在你把木塞盖上的时候,一股冷空气就乘空钻进了瓶子里面。瓶子里面的空气遇到暖水瓶的热水而受热,体积就要膨胀。由于瓶塞盖紧了,不让它自由膨胀,它就会用力去顶木塞。这时你把木塞盖得越紧,瓶内气体的体积就会压得越小,因此它的压力也就越大,这样,木塞就跳得越高了。
如果你在盖木塞的时候,先把木塞放在瓶口,不要盖紧而留出一点缝隙,然后把暖水瓶轻轻晃动一下,让水汽微微出来,再把木塞盖紧,这样木塞就会很“乖”,不会跳出来了。
25.金碗比不上木碗
传说在很久以前,有个国王要给臣民们赐发鸡汤,并宣布:谁喝鸡汤最快,谁就是对本王最忠诚。由于这个国家是一个等级制度很森严的国家,不同地位的人喝汤,用的碗也不一样:皇族用的是金碗以显示其地位的显赫,大臣用的是银碗,卫士用的铁碗,随从是最没地位的了,所以用的是木碗。
到了赐汤的时辰,众人跪下,厨师为每个人的碗里都盛满了热汤。国王一声令下,大家开始喝汤。皇族、大臣和卫士们心急如焚,恨不得马上端起碗,一口把鸡汤喝下去,但是他们一摸到碗,立即就被烫得把手缩回去。而随从们却不慌不忙地端起碗,最先把汤喝完了。于是国王不悦,认为皇族、大臣、卫士们都没有随从对国王忠心。
难道真的是因为随从有对国王无比的忠心才把热汤很快喝完吗?不妨我们先自己动手做一个实验,就知道这其中的缘由了。
找出来形态完全相同的三根筷子,一根是木质的,一根是铜质的,一根是铁质的。在这三根筷子上分别抹上猪油,然后在猪油上粘上一颗黄豆,粘好后把筷子的下端放在玻璃杯里,再向杯里倒入适量的开水。注意不要让倒的开水浸到抹有猪油的位置,更不要让木质筷子离开杯底。这样你就会看到:铜筷子上的黄豆很快就掉了下来;再过片刻,铁筷子上的黄豆也掉了下来;而木筷子上的黄豆却不掉下来。
这个实验能说明什么呢,就是不同的物质传导热的本领是不同的。同理我们可以知道,当皇族、大臣和卫士用的金属碗还烫得不能用手端的时候,随从却能端起不烫手的木碗,不慌不忙地喝鸡汤了。
26.水到沸点温度会上升吗
我们知道在平常的气压下,水烧到将近100℃,就沸腾起来了。于是有人想,要是把火烧得更旺些,开水的温度该会超过100℃了吧?但是经过有关的实验证明,不论你怎样加大火力,温度计里的水银柱再也不上升了,还是停留在100℃。这是怎么回事呢?
原来事情是这样的:水沸腾起来的时候,虽然它还是不断地从火焰那里大量地吸收热量,但是,热量又同时由水分子变成蒸汽带到空气里面去。一般来说每1克水分子化成蒸汽,都要带走500多卡的热量。这时候火焰的热量会传给水壶,立刻就被水分子带到空气中去了。壶里水的热量不能积聚下来,温度自然就升不高了。尽管你加大火力,但是所增加的热量,只不过使得更多的水蒸发罢了,水的温度是升不上去的。
不过,如果我们要使水在沸腾时的温度增高,倒是有一个办法,那就是增加气压。因为作用在水面上的气体压力,总是竭力阻挡着水分子溜到空气里去。气压越高,温度越高。
你不知道吧,在地面上,任何物体受到的压强都是1个大气压。从地面往地下走,愈往深处走,气压愈大,水的沸点也就愈高。深度平均每增加1千米,水的沸点就会提高3℃。在深达300米的矿井里,水要到101℃才会沸腾,在1000米深处是103℃。如果使水承受的压力更大,沸点也就会越高。像14个大气压的蒸汽锅炉,它里面的水要到200℃才会沸腾。
所以在以上事例的启发下,人们就制造了高压锅。高压锅的密封性好,当水沸腾化成蒸汽以后,跑不出去,只好仍然停留在锅内。这就使得锅里的水承受的气压增加了,于是温度便继续升高。由于高压锅内的温度高,因此食物能很快地烧熟。当然,蒸汽气压太高会引起锅子爆裂,所以高压锅内必须装有安全阀门。当蒸汽的压力超过规定的数值时,就让一部分蒸汽通过安全阀门跑出去,使锅内保持一定的气压。
另外,在低气压的情况下,水的沸点也会降低。高山上不容易把饭煮熟,就是因为高山上气压低,水不到100℃就会沸腾的缘故。如果你在世界的最高峰——珠穆朗玛峰的峰顶上烧水,只要烧到72℃左右,水就沸腾了。
27.开水不响响水不开
不知道大家在生活中注意到这样的现象没有,我们在烧开水的时候,水在没开的时候比水开了后响的声音要大很多,你知道这是为什么吗?
其实我们在烧水的时候,水中没有出现气泡,是听不到响声的,而气泡的产生就会伴随着响声的出现。由此我们可以知道,烧开水时发出响声与水中气泡的产生是分不开的。
水在沸腾前,水壶里面各个水层的温度都不相同,一般来说水壶壁附近水层的温度较其他部位要高,水面附近的温度较低。气泡在上升过程中不仅气泡内空气压强随水温的降低而降低,气泡内有一部分水蒸气凝结成饱和蒸汽,压强也在减小,而外界压强基本不变。这时候,气泡外压强要大于内压强,于是,上浮的气泡在上升过程中体积将不断缩小。我们在对水继续加热的过程中,气泡产生,膨胀就越来越多,越来越大,但当气泡上升到温度较低的地方时,气泡中的水蒸气又要凝结成水,体积又逐渐地减小。
那么在这样往复的过程中,随着温度的不断升高,气泡的体积一会儿要膨胀,一会儿要缩小,又不断的上浮,在水的中、上部会产生一种振动。当水温接近沸点时,就会有大量的气泡涌现,接连不断地上升,并迅速地由大变小,使水剧烈振荡,产生较大的响声。
当水沸腾时,由于对流和气泡不断地将热能传到中、上层,使整个水壶的水温基本上保持到了一致的状态。水的内部急剧汽化,气泡内水蒸气达到饱和,密度大气压高,在上升过程中其体积不仅不会缩小,而且还继续增大。这时气泡所受的浮力也在它上升过程中增大,气泡就由底部一直上升到表面而破裂,放出水蒸气和空气。由于此时气泡上升至水面破裂,对水的振荡减弱,响声自然也就小了。
28.开水里“煮不死”的鱼
你相信开水煮不死鱼吗?接下来我们就介绍一下这一实验过程。
首先取一个大试管,里面装满水,在水里面放入一条小鱼,前提是不能让小鱼跑到试管上面来。为了不让小鱼跑到试管上部,在试管中间我们要横放一个隔离网。接下来点亮酒精灯,用酒精灯加热试管上部。过不了一会你就会看到试管上部的水沸腾了,底部的小鱼却依然若无其事地游来游去。
接下来我们把小鱼放到隔离网上面,重换上新水,再用酒精灯烧试管下部,过不了一会你就会看到小鱼被沸腾的水给烫死了。这是怎么回事呢?为什么前者小鱼没有被烫死,而后者就被烫死了?
前者之所以开水煮不死小鱼是因为,水是极不容易传热的。即使试管上部的水温上升到100℃,下面的水仍然是凉的,所以在下面的鱼没有被煮死。
后者则是因为待下部的水受热以后,体积膨胀,密度减小,热水就会上升,上部的冷水就下降。降到底部的冷水,被加热到比上部的水温还高以后,下边的热水又重新上升,如此循环不止,这种现象就是对流。试管上部的鱼被烫死就是对流的结果。
不知道大家注意到没有,在家里烧开水时,锅里的水也一直在上下对流,直到沸腾。
29.各式各样美丽的冰花
在腊月寒天的时候,如果早晨起床注意家里面的玻璃窗,会看到上面结满了漂亮的冰花,各式各样,晶莹透明。你知道玻璃窗上的冰花是怎样形成的吗?其实除了大自然,还会有谁呢?这些各式各样的冰花是严寒用冰描画出来的。
冰,大家都很熟悉。而且我们都知道结在水里的冰是一大片一大片的,那是因为水分子比较密,大量的水在结冰的时候,冰晶都互相缠结起来了。而在下雪天我们看到的雪花是六棱形,这是因为空中的水蒸气分子比较稀疏,在凝结的时候,又没有受到外界不均衡的压力,冰晶以它本来自有的角度构成了它的外形。其实,我们在日常生活中见到的大块的冰,它的冰晶也是六角形的,因为彼此纠缠,我们很难看出它们原来的形状。
我们看到的玻璃窗上的冰花也不例外,冰花本来也是六角形。当最初的冰晶凝成以后,就逐渐向四周发展,这时候冰花的形状就没那么统一了。有的时候风力大,有的时候风力小;而且玻璃有的光滑、有的毛糙,有的玻璃上有积累下的污垢、有的一尘不染。这样,水蒸汽蒙上去的时候,就很不均匀了,有的地方水蒸气可能积得多一些,有的地方水蒸气会积得少一些。
当冰晶向四周延伸的时候,遇到水蒸气积聚多的地方,冰就会结得厚一些;遇到水蒸气积聚少的地方,结的冰就相对来说会薄一些;在结冰特别薄的地方,当遇到一点点热或者压力的时候,冰就会立即融化,因而形成了各式各样的花纹,非常好看。
其实,冰花和我们画画的道理差不多,在我们画画的时候,如果颜料用得多一些,画上去的颜色就会浓重一些;颜料用得少些,画上的颜色就素淡一些;不着颜色的地方,就是画纸本来的颜色。
30.冒气的冰棒
按照我们生活的常理,只有热的东西会冒气。可是当我们夏天吃冰棒的时候,就会看见冰棒也能冒气,这是怎么一回事呢?
我们知道,夏天空气的温度要比冰棒高出很多,当我们从冰箱里拿出冰棒后,冰棒就会在空气中慢慢融化。冰在融化的时候,要吸收周围空气中的热量,使周围空气的温度降低。空气中有许多水蒸汽,它一受冷就会凝结成小水珠。当冰棒周围空气的温度降低以后,空气中的水蒸气就变成了无数很细很细的雾状小水珠,看上去就像冰棒在冒气一样。
事实上冰棒并不会冒气,这不过是冰棒周围空气受冷后形成的现象而已,和冰棒没多大的关系。
31.盗窃不会受到惩罚
从莫斯科到列宁格勒之间的电讯线路,每到冬天总要有好几百米昂贵的电报线、电话线丢失得无影无踪,但是大家都习以为常,没有人为了这件事情而焦急、不安过。因为大家都知道这种情况的出现是怎么一回事。
聪明的你一定也想到了吧!是的,导致数百米电线丢失的罪魁祸首就是冬天严寒的天气。铜做的电话线按照热胀冷缩的原理在冬天的时候由于天气的寒冷而收缩。当地的人都一致地认为,莫斯科到列宁格勒之间的电话线,冬天要比夏天大约短500米。严寒的天气就在每个冬季缩短半公里长的电话线。但是并未给通讯工作造成什么损害,等到暖和季节到来以后,由于热胀冷缩的缘故,电话线又开始膨胀,冬天缩短的电线又恢复到原来的状态,并非是人为盗窃。
32.从茶杯的爆裂说起
生活中处处都有学问,一位有经验的家庭主妇,当她把热茶倒到客人的茶杯里去的时候,为了避免杯子破裂,总不会忘记把茶匙放在杯子里,而且最好是银茶匙。是生活上的经验教会她这个正确的做法的。那么,这个做法的原理是什么呢?
要明白以上做法的原理,我们首先得知道在倒开水的时候,杯子为什么会破裂。这其中的原因是玻璃的各部分没有能够同时膨胀,倒到杯子里去的开水,没有能够同时把茶杯烫热。它首先烫热了杯子的内壁,但是这时候,外壁却还没有来得及给烫热。内壁烫热以后,立刻就膨胀起来,但是外壁还暂时不变,因此受到了从内部来的强烈的挤压。这样外壁就给挤破——玻璃破裂了。
针对以上情况,有人会认为假如换用厚的玻璃杯,在倒开水的时候就不会破裂。其实这种想法是错误的,厚的杯子从这方面来说,恰好是最不可靠的;厚的杯子要比薄的更容易破裂。这里的原因很明显。薄的杯壁很快就会烫透,因此这种杯子内外层的温度很快会相等,也就会同时膨胀;但是厚壁的杯子呢,那一厚层的杯壁要烫透是比较慢的。
所以我们在选择玻璃杯的时候要选用薄的杯子,但是有一点不要忘记:不但杯壁要薄,而且杯底也要薄。因为在倒开水的时候,烫得最热的恰好是杯子的底部;假如底太厚的话,那么,不论杯壁多么薄,杯子还是要破裂的。另外,有厚厚的圆底脚的玻璃杯和瓷器,也是很容易烫裂的。
其实玻璃器皿越薄,加热时就越可以放心。我们实验室用到的玻璃器皿都是非常薄的,这种器皿盛了液体,就直接在灯上烧到沸腾,一点也不怕它会破裂。
根据以上的道理我们也可以知道,当玻璃杯在受到快速冷却的时候,也有上述同样的情形发生,原因就是杯子各部分冷缩时所受的压力并不均匀。杯子的外层受冷收缩,强烈地压向内层,而内层却还没有来得及冷却和收缩。因此,装有滚烫果酱的玻璃罐,绝不可以立刻放到严寒的地方或直接浸到冷水里面去。
弄清楚了玻璃杯为什么会破裂,我们再回到玻璃杯里的银茶匙上来,究竟银茶匙是怎样保证杯子不破裂的呢?
玻璃杯的内外壁,只有当开水一下子很快倒进去的时候,受热程度才会有很大差别;温水却不会使杯子各部分受热有很大差别,因此也不会产生强大的压力,杯子也就不会破裂。假如杯子里放着一柄茶匙,那么会发生些什么情形呢?那时候,当开水倒进杯底,在还没有来得及烫热玻璃杯(热的不良导体)时,会把一部分的热传给了热的良导体——金属茶匙。因此,相对来说开水的温度就减低了一些。它从沸腾着的开水变成了热水,对玻璃杯就没有什么妨碍了。至于继续倒进去开水,对于杯子已经不那么可怕,因为杯子已经略为烫热了。
总而言之,杯子里的金属茶匙越大,玻璃杯越不容易破裂。但是,为什么说茶匙假如是银制的,就会更好一些呢?因为银是热的良导体;银茶匙要比不锈钢的茶匙散热更快。你一定知道,放在开水杯里的银茶匙是多么烫手!单凭这一点,你就已经可以确定茶匙的原料了,钢制的茶匙是不会感到烫手的。
33.洗完澡后脚穿不进靴子
在著名作家契诃夫的一篇小说《顿河退伍的士兵》中有一段这样的话:“是什么缘故使冬天昼短夜长,夏天昼长夜短呢?冬天昼短,和一切别的可见或不可见的物体一样,是由于冷缩的缘故;至于夜长,是因为点起了灯火,暖了起来,因此胀长的缘故。”
你看了一定会发笑。可是,笑这种说法的人,自己也时常会创造出许多同样不可思议的怪论来。譬如,常常听到有人说(或者在书上也会读到),有人洗完澡以后,靴子之所以穿不进去,是因为“脚给热水烫热膨胀,因此增加了体积”。这个例子很常见,但一般人常常做了完全不合理的解释。
首先,大家应该知道,人在洗澡的时候温度几乎没有升高。在洗澡的时候人体温度升高一般不超过1℃,至多是2℃。人体机能可以很好地跟四周环境的冷热影响作斗争,使体温保持在一定的度数。
而且我们的身体温度即使增加了1℃~2℃,体积增加也非常有限,穿靴子的时候是绝对不会觉察到的。人体各部分的膨胀系数都不超过万分之几。因此,脚板的宽窄和胫骨的粗细一共只能胀大百分之几厘米。那么,难道普通的一双靴子,会缝制得精确到0.01厘米,像一根头发那么粗细的程度吗?
但是,事实的确是这样:洗澡以后靴子的确很难穿进。不过穿不进的原因不在受热膨胀,而是在别的原因。洗完澡后,脚上很湿,增大了摩擦系数,所以很难穿进靴子。
34.放在冰上还是冰下
我们烧水的时候,一定把装水的锅子放在火上,不会放到火的旁边。因为被火焰烧热了的空气比较轻,从四周向上升起,绕着水锅的四周升上去。
因此,我们把水锅放在火上是最有效地利用了火焰的热量。
但是,假如我们想用冰来冷却一个什么物体的时候,要怎样做呢?许多人根据习惯,把要冷却的物体也放到冰的上面。比如说,他们把装有热牛奶的锅子放在冰上面。这种做法其实是错误的,因为冰上面的空气受到冷却后,就会往下沉,四周的暖空气就来占据冷空气原来的位置。这样你可以得到一个非常实际的结论:假如你想冷却一些饮料或者食物,千万不要把它放在冰块的上面,而要把它放在冰块的底下。
让我们再解释得详细些:假如把装水的锅子放在冰块的上面,那么受到冷却的只有那水的底部,水的别的部分和四周仍旧没有冷却的空气。相反,假如把一块冰放在水锅的上方,那么水锅里的水的冷却就会快得多。因为水的上层冷却以后,就会降到下面去,底下比较暖的水就会升上来,这样一直到整锅水全部冷却为止。从另一方面说,冰块四周冷却了的空气也要绕着那个水锅向下沉,同样对水锅起到冷却作用。
35.饺子煮熟是咋回事
不知道大家注意过没有,我们煮饺子时,把生饺子放到锅里,饺子会下沉。饺子下沉的原理我们通过阿基米德原理就可以解释:浸在液体里的物体受到向上的浮力作用,浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力。生饺子的重力大于所受浮力。这样一来,饺子当然要下沉了。
随着连续不断的加热,锅里面的饺子会慢慢热起来,我们判断饺子是否煮熟的方法就是看饺子有没有浮起来,如果饺子浮起来就说明饺子煮熟了。但是你有没有想过,为什么饺子煮熟就会浮起来呢?
由于加热的物体要膨胀,饺子馅和饺子皮吸饱热水充分膨胀。饺子体积增大后,它排开的液体就多,所受浮力增大,所以就浮起来了。
36.艾菲尔铁塔的高度
你知道法国埃菲尔铁塔的高度吗?300米是埃菲尔铁塔在国际上最公认的高度。但是我们应该想到的是这么高的铁塔,在热胀冷缩的情况下,它的高度不可能在什么温度的情况下都是相同的。
按照日常生活的常识,我们知道300米长的铁杆,温度每增加1℃,要伸长3毫米。这座艾菲尔铁塔在温度增加1℃的时候,大约也会加高这么多。在巴黎,夏天有太阳的时候,这座铁塔会给晒热到40℃,而在阴冷的雨天,它的温度会下降到10℃。冬天呢,那要跌到0℃甚至于——10℃(巴黎严寒的时日不多)。你看,这座铁塔一年四季温度的变化要在40℃以上,这说明了艾菲尔铁塔的高度可以伸缩3×40=120毫米,就是12厘米。
虽然我们知道艾菲尔铁塔的高度,是用一种几乎不受温度变化的影响、始终保持原有长度的镍钢丝来量度的。这种镍钢叫做“因钢”(这是从拉丁文的一个词语中音译的,原意是“不变的”)。但是就是这样,艾菲尔铁塔的顶端在热天要比冷天高出一段来。你知道吗,其实这高出的一段不是用钢做成的而是用铁做成的。
37.人为什么会长痱子
在夏天的时候,由于天气闷热,很多人尤其是小孩子很容易起痱子。痱子又叫“热痱”、“红色粟粒疹”。长痱子的主要原因是由于在高温闷热环境下,出汗过多,汗液蒸发不畅,导致汗管堵塞、汗管破裂,汗液向外渗入周围组织而引起的。主要表现为小丘疹、小水泡。多发于夏季,多见于排汗调节功能较差的儿童和长期卧床的病人。由于瘙痒而过度搔抓,可致继发感染,发生毛囊炎、疖或脓肿。
而随着天气转入凉爽,痱子就会“消失无踪”了。所以对于痱子的一般预防只要保持室内通风凉爽;勤洗澡,保持皮肤清洁、干燥。小儿要勤洗澡,及时擦干汗、更换衣服;发热、卧床病人要勤翻身,经常洗擦皮肤。还可进食清凉解暑药膳,如绿豆糖水、绿豆粥、清凉糖水等。如果已经长了痱子,避免搔抓,勿用肥皂洗擦。