书城科普《物理知识篇》(下)(科普知识百科全书)
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第6章 热的学问(3)

当这支蜡烛点燃后,圆筒形纸屏内部的空气被它烧热了,空气一热就上升,当上升的热空气经过纸屏顶上那只风车的时候,完全同一股风经过它一样,会把它吹得转动起来。风车既然是连在这圆筒形纸屏上,因此也就把纸屏带着转动起来了。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,就源源不绝地有上升的热空气去吹动那只风车,使圆筒形的纸屏不停地转动,直到蜡烛熄灭为止。

温度计中装着什么

天气冷了,温度计里的红色(或银白色的)液柱,一天天在下降;天气暖了,这液柱又一天天地回升,它能迅速地告诉我们气温的变化。

温度计中的液柱是什么东西?

红色的液柱是洒精,银白色的液柱是水银。

为什么有的温度计里灌酒精,有的温度计里装水银呢?

酒精和水银各有不同的职能,酒精是很“耐寒”的,它在-117℃才会凝结,就是在地球上温度最低的南极洲,酒精温度计也能用。水银就不同了,在-39℃就凝结。水银凝固后,失去了流动性,即使周围的温度继续下降,水银也不能再指示温度了。在我国东北有些地方,冬季的气温常在-40℃,因此在这些比较寒冷的地方只适宜用酒精温度计了。

酒精温度计还有一个优点,就是读数清楚。因为酒精柱的膨胀能力比水银要大几十倍,在同样的温度变化下,酒精温度计中的红色酒精柱(加了红颜色的缘故)比水银温度计里的银白色水银柱升降变化要显着得多。

可是,酒精也有个大缺点,就是同样重量的酒精和水银,要使它们的温度升高1℃所花的热量,酒精比水银大得多。使酒精升高(或降低)1℃的热量,大约可以使水银升高(或降低)20℃。对于同样的温度变化,水银温度计比酒精温度计又灵敏得多。因此在作科学实验中,或是在测量人的体温时,一般都用水银温度计。水银温度计还有一个优点,就是能用来测量高温,因为它的沸点高达3566℃。

除了用水银、酒精作液柱温度计以外,还有用丙酮、甲醇、苯、乙醚、甘油等物质作液柱的温度计。

会跳的木塞

当你打开热水瓶的木塞,倒了一杯开水,然后又把木塞盖上去的时候,常常会发生这样的事情,木塞象有弹簧似的,会自动地跳出来;而且你揿得越紧,它跳得越高,真象和你开玩笑一样。

是谁在捣蛋呢?原来是空气。

当你把木塞盖上去的时候,一股冷空气也钻进了瓶里,它到瓶里一受热,体积就要膨胀,由于瓶塞盖紧了,不让它自由膨胀,它就用力去顶木塞。你把木塞盖得越紧,瓶内气体的体积压得越小,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,留出一点缝隙,把水瓶轻轻晃动一下,让水汽微微出来,再把木塞盖紧,就不会跳出来了。

水到沸点,温度会上升吗

在平常的气压下,水烧到将近100℃,就沸腾起来了。

也许你想,要是把火烧得更旺些,开水的温度该会超过100℃了吧?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℃。

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气带到空气里去。每1克水分子化成蒸气,都要带走500多卡的热量。

这时候火焰的热量一传给水壶,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,只不过使更多的水蒸发罢了,水的温度是升不上去的。

不过,要使水在沸腾时的温度升高,也有一个办法,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。气压愈高,水要克服气压而化成蒸汽,必须有更高的温度才行。因此让气压增加,水的温度也就升高了。

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公里,水的沸点就提高3℃。在深达300米的矿井里,水要到101℃才沸腾,在1000米深处是103℃。如果使水承受的压力更大,沸点也就更高。象14个大气压的蒸汽锅炉,它里面的水要到200℃才会沸腾。

利用这个道理,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,这就使锅内的水承受的气压增加了,于是温度便能继续升高。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。

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℃就沸腾的缘故。象在世界的最高峰——珠穆朗玛峰的峰顶上烧水,只要烧到72℃左右,水就沸腾了。

美丽的冰花

数九寒冬,早晨起床一看玻璃窗,呀!上面结满了漂亮的冰花,有的像兰花,有的像马尾花,晶莹透明。是谁在玻璃上描绘了这么多美丽的图画呢?

除了大自然,还有谁呢?这是严寒用冰描画出来的。

冰嘛,我们谁都看到过。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;而雪花呈六棱形,因为水蒸气分子比较疏,在凝结时,又没有受到外界不均衡的压力,冰晶以它自有的角度构成了它的外形。其实,大块的冰,它的冰晶也是六角形的,因此彼此纠缠着,我们看不出罢了。

玻璃窗上的冰花,原来也是六角形,当最初的冰晶凝成以后,就逐渐向四周发展,这时候情况就复杂起来了。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,有的玻璃上积有污垢、有的一尘不染。这样,水蒸气蒙上去的时候,就不均匀了,有的地方水蒸气积得多些,有的地方积得少些。当冰晶向四周延伸的时候,遇到水蒸气积聚多的地方,冰就结得厚些;遇到水蒸气积聚少的地方,冰就结得薄些;在冰结得特别薄的地方,遇到一点点热或压力,又会立即熔化,因此形成了各式各样的花纹。这就跟我们画画差不多,颜料用得多些,画上的颜色就浓些;颜料用得少些,画上的颜色就淡些;不着颜料的地方,就是画纸原来的颜色。

冒汽的棒冰

照理说,只有热的东西会冒汽,棒冰是冰冷的东西,它为什么也能冒汽呢?

我们知道,夏天空气的温度比棒冰高得多,棒冰在空气中会慢慢融化。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。当棒冰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,看上去就象棒冰在冒汽一样。

实际上棒冰并不会冒汽,这不过是棒冰周围空气受冷后所玩的把戏罢了。

冬暖夏凉的井水

井水是冬暖夏凉。这是什么道理?难道它会自动调节温度吗?

其实,井水的温度并没有多大的变化,变化得厉害的倒是地面上的温度。井水冬暖夏凉,这只是相对于地面上的温度来说的,决不是冬天井水的温度比夏天高。

地球表面直接受到日晒和气流的影响,气温变化很大,夏天总是比冬天热得多,夜间总是比白天冷一些。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,泥土传热又很慢,这种落后现象越显着。

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。夏季太阳一出,地面温度很快上升,但地下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来得低,我们摸起来就觉得它特别凉。冬季寒风一起,地面温度很快下降,地下温度却降得不那么快,这时井水的温度也就比地面上空气的温度来得高。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那么大,一般只差三四度;而地面上冬夏的温度却相差几十度。

不但井水有冬暖夏凉之感,地窖也同样有些感觉。冬季利用地窖存储水果、蔬菜可以防冻,夏季利用地窖存储水果、蔬菜可以防腐。在城市的街道下面,埋设着自来水管,即使在滴水成冰的严冬,也不会冻结。但是,露出地面的水管,就必须用稻草包扎起来,否则就会冻结,甚至把水管胀裂。

纸做的锅

把纸送到火里,很快就烧光了。用纸来做锅子,真是不可设想的事。但如果我们懂得了一个道理,那么,纸的确也可以做锅子。

纸是怎么燃烧起来的呢?因为纸是可以燃烧的东西,当它加热到可以燃烧的热度,才会烧起来。那么,我们有没有办法让热随时在纸上散掉,不让它达到燃烧的热度呢?有办法的。可以利用别的物体来帮助纸散热,如水、金属等。

你可以先做个实验,用比较厚的纸做成一个不漏水的盒子,盛满水,搁在火炉的铁板上,直到水烧开了,纸盒还是没有烧起来。这是什么道理呢?因为纸盒随时把受到的热立刻传给了水,所以水到了沸点,就开了,而纸盒却不会烧起来。

同样,把纸条螺旋形地紧紧地绕在一根圆铜杆上,或者用棉线绕在铜杆上,放在火上烧,火焰虽舐着纸和棉线,但受到的热,被铜杆吸去了,所以纸片和棉线在很长一段时间内是不会燃烧的。当然,时间过久了,铜杆到了很高的热度时,纸和棉线还是会被烧燃的。