书城科普读物探究式科普丛书-温暖千家的热
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第7章 春江水暖鸭先知——日常生活中的热(5)

首先,大家应该知道,人在洗澡的时候人体温度几乎没有升高。在洗澡的时候人体温度升高一般不超过1℃,最多是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有用的结论: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。

让我们解释得再详细些: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锅水的底部,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.埃菲尔铁塔的高度

你知道法国埃菲尔铁塔的高度吗?300米是埃菲尔铁塔国际公认的高度。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。

按照生活常识,我们知道300米长的铁杆,温度每增加1℃,要伸长3毫米。这座埃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,这座铁塔会被晒热到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℃甚至于零下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,这说明了埃菲尔铁塔的高度可以伸缩3×40=120毫米,就是12厘米。

虽然我们知道埃菲尔铁塔的高度,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,埃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。

小孩儿要勤洗澡,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,应避免搔抓,勿用肥皂洗擦。

第二节隐蔽战线——不被我们注意到的热现象

1.蒸汽机

瓦特改良蒸汽机的故事想必大家都知道:一天瓦特在炉前替奶奶烧开水,当水烧开的时候他发现,蒸汽把壶盖顶起来了。勤于思考的瓦特由此想到如果用蒸汽作为动力来做更有力、更有用的工作那将是很有意义的事情。之后,瓦特通过蒸汽的原理改良了蒸汽机。

瓦特于1736年1月19日出生在英国格拉斯哥城附近的一个名叫格林诺克的小镇。因为父亲是个木匠,家里一直很穷,为了生计他就跟着父亲做些木工活。由于工作的原因,他从小就对制造机械产生了浓厚兴趣。18岁时,瓦特到格拉斯哥城当徒工,学习制造教学仪器。后来他又去伦敦一个钟表店学习修理钟表,最后他又回到格拉斯哥城,在格拉斯哥大学当教学仪器修理工。

1761年,大学里的一台纽考门蒸汽机坏了,让瓦特去修理。这可是难得的好机会。在修理时,瓦特发现这台机器有很大的缺点,一个是活塞动作不连续;另一个是浪费蒸汽太多,而且动作非常缓慢,有点像老牛拉破车。于是瓦特决心改进这种机器,他花费了好几年时间进行了大量实验。功夫不负有心人,瓦特终于成功地制造出高效率蒸汽机。但是在以后的时间里,瓦特并没有停止他的创造。他花费了大量的时间,又经过多次改革,终于在1784年制成了用于交通运输的火车、轮船动力的蒸汽机。瓦特蒸汽机的发明,带来了一场震惊世界且影响深远的欧洲工业革命。

2.可以记忆的合金

我们生活的世界真是无奇不有,你听说过合金可以记忆的吗?20世纪70年代,世界材料科学中出现了一种具有“记忆”形状能力的合金。例如,一根螺旋状高温合金,经高温退火后,它的形状处于螺旋状态。在室温下,即使花很大力气把它强行拉直,但只要把它加热到一定的“变态温度”,这根合金仿佛记起了什么似的,立刻恢复到它原来的螺旋形态。这是怎么回事呢?难道合金也具有人那样的记忆力?

答案肯定是不!其实,这种“记忆”合金只是利用某些合金在固态时其晶体结构随着温度有规律的变化而已。例如,镍-钛合金在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的,当温度在40℃上下变化时,合金就会收缩或者膨胀,使形态发生变化。这里,40℃就是镍-钛合金的“变态温度”。

各种合金都有自己的变态温度。以上说到的那种高温合金的变态温度很高。在高温时它被做成螺旋状时处于稳定状态。在室温下把它强行拉直时,它却处于不稳定的状态,因此,只要把它加热到变态的温度,它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状了。

迄今为止,人类发现具有“记忆”形状能力的合金已达80种,有些已在某些领域获得实际应用。例如通常的铆接必须从一边插入铆钉,在另一边用气锤将铆钉的头锤扁。但是,遇到封闭的容器或者开口狭窄的容器,你根本无法深入到容器里面去作业。这时可用“记忆合金”事前做成两头都是扁的铆钉,在低温下把一段的扁头硬压成插孔大小的圆柱状。铆接时,只要从低温箱子中将铆钉取出,迅速插入被铆容器的插孔内,再把铆钉加热到变态温度以上,原先被压圆的一端便自动恢复成扁形,这样就把容器牢固地铆紧了。用“记忆合金”接合断骨也很有发展前途。用金属材料接合断骨时,必须把它的两端插入接孔后再弯成勾形,以防脱落。这一过程与订书钉将纸订合在一起很相似。

可是这种操作会给病人增加很多痛苦。

有了“记忆合金”后这个难题就迎刃而解了。事先在室温下将合金板制成两端都是倒钩形的,在低温下将其拉直成订书钉一样的形状,再将冷冻的合金接到断骨两端。

合金受体温加热后立即恢复原状,从而把断骨牢牢接合在一起。

3.合金和塑料谁更可塑

在我们日常生活中常见到的塑料和金属,你认为它们谁更可塑呢?谁都知道,金属比塑料坚固,但把金属加工成型却没有塑料那么容易。例如,用冲压法加工铝材长筒形容器,在冲压成型后不可避免地会出现诸如“耳朵形”等的缺口。为了使它达到设计要求,必须再进行几道工序的机械加工,这就大大增加了生产成本,于是有人提出有什么东西既有金属的坚固性,又有塑料的可塑性呢?经过科学家们的不懈努力,终于发现了在一定温度下呈现超塑性的合金。

一般来说金属材料多少都有一定的可塑性。如果我们用延伸率来表示金属的可塑性,就是用金属材料在拉断时的增长量同原来长度之比的百分率来表示。

一般黑色金属的延伸率是40%左右,有色金属也超不过60%。而具有超塑性的合金,在一定的温度下一般能达到100%以上,有的甚至达到1000%~2000%。例如,一种锌-铜-铝合金板材,在慢速弯曲时,竟然可以弯曲到180°。也就是将板材弯到两面可以重叠的程度,也不会断裂。

一般来说合金的超塑性有两大类:一种称为微细晶粒超塑性,另一种称为相变超塑性。

无论哪一种超塑性都必须在一定的变形温度和一定的变形速度下才会产生。例如,锡-铋共晶合金在1200℃时的最大延伸率可达到850%,普通的低合金钢在800℃~900℃时也可以达到400%。

4.真空工厂

你知道吗?宇宙空间中的真空度和地球上的真空度差别很大。打个比方说,如果在宇宙空间中的一个容器里只有一个空气分子的话,把这个容器放到地球上的最高真空里去,它里面竟然可增加到100亿个空气分子。

有些精密产品常常需要在高真空环境下进行生产或加工,以减少空气分子对产品质量的影响。比如,要制作性能更佳的半导体器件和厚度只有几个原子直径的超大规模集成电路,地面实验室的真空度已经“力不从心”了,只有到宇宙空间中去,利用那里的超高真空度建造“真空工厂”才能实现这一目标。作为这项发展的第一步,轨道空间站应运而生了。

一般来说,在未来的真空工厂里除了生产高质量电子器材外,还可生产高级有机化合物。

有机化合物在较低温度下就会发生汽化,因此,不需要加以高温就可以使有机化合物在没有裂解的情况下完成蒸馏分离。这样,在地球上无法提取的纯粹形态的有机化合物,在宇宙真空工厂中就可用简单的方法提取出来,这对我们进一步了解复杂有机化合物的结构和性能,并设法以最低的成本将其制造出来,都具有十分重要的意义。

5.卫星也会生病——冷热病

你们知道吗?卫星在太空中运行时,太阳晒到的部分温度可以达到100℃~200℃,而太阳晒不到的地方却极其寒冷,其温度可达到零下100℃~零下200℃。

我们都知道地面上太阳晒得到的地方与晒不到的地方的温差最多也就几十摄氏度,而在太空中为什么会相差几百摄氏度呢?这是因为太空中没有空气,因此也不存在由于空气对流所造成的气温调节作用。

在太空中,卫星表面晒到和晒不到太阳的部分有着高达几百摄氏度的温差,这样就会使卫星上的仪器无法正常工作。为此,科学家们必须事先采取温控措施,以保持卫星有较恒定的“体温”。如果在地面上,人们可以用空调机来制冷,或用电炉来加热,然而在太空中却行不通。因为卫星发射的费用十分昂贵,所以由卫星带上天的各种仪器的重量必须“斤斤计较”。为了调节卫星的“体温”,而把空调或电炉送上天显然是不可能的。通常科学家们采取一些被动的调温方法。例如,在卫星表面涂上一层“温控涂层”,以限制卫星受太阳暴晒时吸收过多的辐射热,同时又防止晒不到太阳的那部分向外辐射造成热量损失。

也有把安放在一起的舱室做成像热水瓶胆那样的双层真空隔热舱,以保持舱内仪器有一个常温工作环境。

但是你想过没有,一旦卫星的温控装置因意外事故而失灵,那将会给卫星带来什么灾难性的后果?比如在1973年5月,美国的“天空实验室”在发射后的63秒,它的轨道工作舱外涂有隔热层的“微流星防护罩”,因为提前打开而受损。结果使舱内温度直升到55℃,导致仪器无法工作。最后,美国宇航员只好再赶制一副“遮阳篷”和一顶“遮阳伞”,并马上派宇航员送上太空安装,这样才治好了“天空实验室”的“冷热病”。

6.空调制冷

空调在烈日炎炎的夏天对于我们来说可是莫大的救星,那么你知道空调是怎么制冷的吗?