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第6章 春江水暖鸭先知——日常生活中的热(4)

找出来形状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掉不下来。

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,随从们却能端起不烫手的木碗,不慌不忙地喝鸡汤了。

26.水到沸点温度还会上升吗

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1000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高压锅爆裂,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汽凝结成饱和蒸汽,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,气泡中的水蒸汽又要凝结成水,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,又不断地上浮,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,气泡内水蒸汽达到饱和,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,放出水蒸汽和空气。

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?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。接着点燃酒精灯,用酒精灯加热试管上部。过不了一会儿你就会看到试管上部的水沸腾了,下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,过不了一会儿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。

后者则是因为待试管下部的水受热以后,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,水壶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

在寒冬腊月的时候,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。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汽分子比较稀疏,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,水蒸气蒙上去的时候,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,只有热的东西才会冒气。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。空气中有许多水蒸气,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

从俄罗斯莫斯科到列宁格勒之间的通信线路,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寒冷的天气。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,寒冷的天气就在每个冬季缩短半公里长的电话线。但是并未给通信工作造成什么损害,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玻璃茶杯里的时候,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,茶杯外壁却还没有来得及被烫热。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。这样外壁就被挤破──玻璃杯破裂了。

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,恰恰是最不可靠的,厚的杯子要比薄的更容易破裂。这里的道理很简单,薄的杯壁很快就会被烫透,因此这种杯子内外层的温度很快就会相等,也就会同时膨胀;但是厚壁的杯子呢,一厚层的杯壁要被烫透是比较慢的。

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,而且杯底部也要薄。因为在倒开水的时候,烫得最热的恰好是杯子的底部,假如底部太厚的话,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,也是很容易被烫裂的。

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,就直接在酒精灯上烧到沸腾,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降低了一些。它从沸腾着的开水变成了热水,对玻璃杯的影响就没有那么大了。至于继续倒进去的开水,对于杯子已经不那么可怕,因为杯子已经略被烫热了。

总而言之,杯子里的金属茶匙越大,玻璃杯就越不容易破裂。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

在着名作家契诃夫的一篇小说《顿河退伍的士兵》中有一段这样的描写:“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,但一般人常常作了完全不合理的解释。

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