书城科普读物透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第25章 光与热(8)

人们把善于传导热的物体叫做热的良导体,把不善于传导热的物体叫做热的不良导体。我们平时用来做饭、烧菜的锅都是用热的良导体制成的,烧得快。冬季穿的棉衣、毛衣、羽绒服和皮衣等,都是用热的不良导体制成的,可以保存身体发出的热量,达到保暖的目的。

对流是液体或气体被加热后热传递的又一种方式。

我们都有这样的经验,用太阳能热水器洗澡,必须注意调节冷、热水两个阀门,调到一定程度,水温就适中了,洗起来十分舒服。为什么冷、热两个水管的水,从喷头出来后不冷不烫呢?原来有一个对流的过程,热量在管内自由传递,最终达到均衡。

如果有条件的话,可以做一个简单的实验来验证这个道理。

在盛水的烧杯或试管里,放入一些纤维粉末,然后把烧杯或试管放在酒精灯上加热。过一会儿,可以看到有一些粉末向上飘起,另一些粉末却向下沉降,上升的粉末和下降的粉末相对运动着。加热的时间越长,粉末的这种上下相对运动越快。水烧开后,这种运动更加剧烈。

纤维粉末本身在水中是不会运动的,实验的显示告诉我们,水被加热的时候会发生相对运动,水带动粉末上下翻腾。

因为在加热的过程中,烧杯或试管下部的水首先受热,体积膨胀变轻,向上浮起;而上部的水没有受热,比下部受热的水重,就向下沉降。这样不断地上下运动,全部水就逐渐地热起来,直到沸腾。

空气是热的不良导体,它的热传递方式也是对流。

例如,当你分别用手在火炉上方和炉门处试一试,就会感到,炉口有一肌热气往上冒,而炉门处却有一股冷气吹入。这是因为炉膛内和炉口附近的空气,受热膨胀上升,周围的冷空气就从炉门进入炉子来补充。

人们掌握了这个原理,冬季把会把炉子放在屋里,利用暖气片、电热油灯、取暖器等取暖设备,使屋内的空气不断对流,最终使整个房子变热。

还有利用空气不善传导热的特点来保温、保暖的。如保温瓶胆、保温杯,就是把两层玻璃或玻璃与外壳之间空气抽掉,使空气对流性能减弱,增强保温性能。火车上的双层玻璃窗,冬天放下来,车厢里的热不容易散出去,就暖和了。

我们在房间里放一个电取暖器,身体向着火的一面就感觉到热,时间长了甚至觉得灼热。为什么只有向火的一面才感到热呢?原来是由于热辐射。

所谓热辐射,就是热量从热源沿直线直接向四周发射出去。太阳和地球之间的热传递方式就是靠辐射进行的。

热辐射有什么特点呢?它是以热源为中心向四周发出的。在跟热源距离相等的圆周位置上,辐射的强度相同,辐射的强度跟离开热源的距离有关。也就是说,离热源越远,辐射越弱;离热源越近,辐射越强。太阳光辐射散热,空气对流导热,人在与雪地接触的过程中会进行热传导,三种热传递方式时刻都在进行着热辐射是直线前进的,一般穿不过不透明的障碍物。

同时,热的辐射还与颜色的深浅相关。颜色越深,吸收或散发辐射热的能力越强;颜色越浅,吸收或散发辐射热的本领越弱。正因为如此,人们夏季喜欢穿浅色衣服,冬季喜欢穿深色衣服。

冬天池塘里的水下面比上面热

给洗澡水加热。温度一上升,水就开始膨胀、变轻,热水渐渐向上面集中。洗澡前,要好好搅动一下澡盆里的水,因为上面的水热,下面的水凉。

但是,在冬天的池塘里,情况就大不相同了。我们这样说,是因为水有一种罕见的特性,即当水温在4℃的时候,其重量比任何温度的水都要重。由于水有这种特性,所以,当池塘的水面温度因寒冷下降到4℃的时候,这层水就向下沉去。又因为4℃以下的水虽然更凉,但重量却比4℃的水轻,所以,这些水向上升,于是池塘的水面逐渐结上了一层冰。

然而,冰的传热功能欠佳,这样就使得池塘底部的水温不降到4℃以下。由于上述各种原因,除去特别浅的水池外,池塘里的水不会全部都结成冰。

对着镜面哈气

对着镜面哈气,镜面所以会模糊,是因为哈气中的水蒸气凝结成小水珠,附着在镜面上的缘故。冬天的早晨,我们呼出的气会变成白色气流也是同一原因。

镜面被哈过气后,其温度也会有少许上升。此时如将镜面擦干,再次对着它哈气,镜面也不会像第一次那么模糊了。也就是说,镜面温度一旦上升,哈气中的水蒸气所凝结的小水珠就大大减少了。我们夏天呼出的气与冬天呼出的气所以不同,也是这一道理。

另外,在擦镜子时,无论是用手还是用布去擦,都会由于摩擦而使镜面的温度上升。

电冰箱制冷原理

一般的电冰箱都使用氟利昂等液态冷却剂。这种气体循环时,一经电冰箱压缩机压缩,很容易变成液体。如果把这种液体马上放到低压处,它又立即还原成气体而膨胀起来,这时,它便从周围吸走大量的热量。这就是电冰箱的制冷。接下去,气体再由压缩机压缩成液体,如此循环往复,电冰箱就能不断地制冷了。

气体冷藏柜中没有这种压缩机,它是让容易吸收气体的液体和制冷用的气体一起循环,液体吸收气体而变热后,溶解在液体中的气体又分离出来,再把这种气体立即排进膨胀室,它就会吸收周围的热量。

完成任务后的气体再被冷却的吸收液吸收,如此往复下去,冷藏柜就能不断制冷了。气体冷藏柜就是利用气体的温度受热、反过来制冷的原理制成的。

水和油的冻结有何不同

大多数物质都是热胀冷缩。油也是这样,温度越低,体积越小,密度就越大,因而相对密度也就增大。因此,冷的油就往下沉,并逐渐冻结,所以油是先从下面冻起的。

水却不同。水在4℃时体积最小,相对密度最大。可是当水温降到0℃以下时,体积反而会膨胀,密度和相对密度都会变小,自然要向上浮。这样,上面的水就会先结冰。

热水会使玻璃杯炸裂

玻璃杯炸裂的原因是因为膨胀。杯里一倒入热水,杯子内壁就受热急剧膨胀,但杯外壁却还是保持原样,内层玻璃突然向外大力挤压,杯子就破裂了。

如果事先让杯子内外侧同时受热,然后再倒入热水,杯子内外膨胀的程度相差不那么大,就不会炸裂了。

不过,如果玻璃杯很薄,即使倒入热水,热也会很快传到外侧,这样内外同时膨胀,杯子也就不易破裂。另外,所谓的硬质玻璃和耐热玻璃,是因为膨胀的比例小才不易炸裂。

最节省煤气的方法

妈妈让丢丢用脸盆温点儿水洗脸,可是丢丢偷懒,只用暖水瓶里的水对上凉水就洗脸了。妈妈很不高兴,说这样费煤气。你说丢丢的妈妈说得有道理吗?

我们用一个实例来计算一下:

假如丢丢最后配好的水是5千克、50℃,他用的暖瓶中100℃的开水为m千克,用20℃的凉水必然是(5-m)千克。由Q吸=Q放有:

c×m×(100-50)=c×(5-m)×(50-20)

得:m=1.875千克

要把1875千克的水从凉水情况(20℃)加热到100℃的开水,所需的热量为:

Q=c×m×(t2-t1)

Q=4.18×1.875×(100-50)

∴Q=627焦耳

对于第二种情况,即直接使20℃的5千克的凉水升高到50℃,所需热量为:

Q′=4.18×5×(50-20)=627焦耳

由此说明,这两种情况所需的热量是一样的。也就是说,如果没有热量损失的话,要制备一定温度、一定质量的温水,不管哪一种办法,所需供给的热量是相等的,这符合能量守恒定律。

但是从实际生活出发,情况就有些不同。一般把水煮沸,往往并不是刚刚加温到100℃,而且存在物态的变化,因此实际上还要多供给一部分汽化热。等100℃的开水灌进暖瓶里以后,由于暖瓶的保温多少都有些损失,实际用的时候温度到不了100℃,而只有80℃左右。由于这两个原因,所以采用两种不同温度的水相混的办法,需要的热水会超过1875千克,这就表明必须多费煤气提供更多的热量才行。看来,丢丢的妈妈还是有实践经验的。

在冰里加盐会使温度降低

冰和盐,在融化时,都会从周围吸取热量,也就是说,正是它们的这种吸热作用才使温度下降的。

为了使冰融化,就必须要有热量,而冰在融化时,又不断地吸取周围的热量。因此,在冰的旁边,人们会感到凉意。

还有,此时如把食盐加入由冰融解而来的水中,会使温度降得更低,因为盐在融化时也要吸收周围的热。

除盐之外,还有许多物质具有这样的吸热性质,如海波(用于洗相片的药品),其吸热作用特别强。当然,各种物质的吸热作用是不同的。

如果把冰和盐按3∶1的比例混和在一起,就成为所说的冷冻剂,它可以使温度降至-213℃。

铁环受热后向外侧膨胀

确实,铁环受热之后会向外膨胀,而不会向空心的内侧膨胀。在这里先不考虑铁环,而看一看实心的铁吧。

实心的铁受热后当然会膨胀。这时相当于铁环空心部分的铁会怎样呢?

即使是空心的铁环,如果只考虑其空心的外侧,那么它也会与实心铁一样,应该是向外侧膨胀。

还有,如果把铁环和与铁环空心一样大小的铁一起加热,那么它们的膨胀率是一样的。

人们已巧妙地利用了这一特征,如安装电车车轮时,首先加热外轮,使其空径扩大,然后再把轮套在内车轮上迅速冷却,最后安上坚固的钢圈。

火柴也能在黑板上划燃

当火柴头与火柴盒上的摩擦面相摩擦时,由于双方都很粗涩,会产生出很多摩擦热。这时摩擦面上所含的磷首先被点燃,所产生的热量又会使火柴头上的硫和氢氧化钾分解发出氧,从而点燃火柴棍。

就是说,第一次点火是由火柴盒摩擦面上的红磷引起的,第二次点火是由火柴头产生的氧与燃料(硫)的作用而发生的。

当然,即使不用火柴盒上的摩擦面,而用火柴头在黑板或放在桌面的报纸上猛烈摩擦,当产生大量的摩擦热时,也可以直接引起第二次点火,从而点燃火柴。

这是摩擦产生的高温使氢氧化钾分解出氧,同时使硫的温度达到燃点以上,从而使火柴燃烧起来。也就是说,物体燃烧的三个条件都齐备了,火柴也就点着了。这三个条件是氧、燃点(高温)和燃料。

但是不用火柴盒划火柴时,要有些技术上的窍门。