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第10章 所有的物体都有温度吗(2)

小朋友牛牛从外面玩滑板回来,感到非常口渴,拿出一个大杯子,就从暖瓶里倒出水来,结果只听见"噗"的一声,杯子碎了,热水流了一桌子。妈妈赶紧走过来,问牛牛烫到手没有,牛牛摇摇头,不知道怎么回事。

待妈妈清理完之后,牛牛问:"妈妈,我刚刚没有碰到杯子,它也没有掉在地上,为什么会碎了呢?"

妈妈说:"杯子被烫碎了。"

牛牛觉得不可思议,"杯子也会害怕烫吗?"

在妈妈的解释下,牛牛知道了杯子怕烫的知识。

在倒开水的时候,杯子之所以会破裂,是因为杯子的各部分没有能够同时膨胀,倒到杯子里的开水,因为温度比较高,先接触到热水的杯子部分迅速膨胀,同时杯子受热不均匀,有的地方保持不变,有的地方则迅速膨胀。另外热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挤压。这样外壁就给挤破了,玻璃就破裂了。

牛牛想了想,说:"那我们以后就专门买厚的杯子,这样就不会被烫坏了吧?"

妈妈笑着说:"你的想法是不正确的,相反的,厚的杯子要比薄的更容易烫裂。原因很明显,较薄的杯子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,烫碎的原因是突然受热,迅速膨胀导致的。但是厚壁的杯子呢,那层厚的杯壁要烫透是比较慢的。里面突然膨胀,杯壁由于比较厚,外面很难烫透,结果更容易因为内层的膨胀而破碎。"

这就要求一些家庭在选用杯子的时候,尽量选择杯壁薄的杯子,同时不但杯壁要薄,而且杯底也要薄。因为在倒开水的时候,最先受热的是杯底,烫得最热的也是杯底,假如底太厚的话,那么,不论杯壁多么薄,杯子还是要破裂的。有厚厚的圆底脚的玻璃杯和瓷器,也是很容易烫裂的。

另外,玻璃杯不只在受到很快加热之后会破裂,就是在很快冷却的时候,也有同样的情形发生,原理是同样的。如果突然遇冷,杯子各部分冷缩的时候所受的压力并不平均。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,这样的话,杯子同样容易破碎。比如,装有滚烫果酱的玻璃杯,决不可以立刻放到冷水里面去。

当然,家庭中最理想的杯子应该是在加热的时候完全不膨胀的那一种。石英材料的杯子就是膨胀得非常少的那一种,经过研究发现,它的膨胀程度尚不及玻璃的十五分之一。用透明的石英做成的玻璃器皿,不管厚薄,可以随意使用,甚至加热也不会破裂。

有经验的人,当把热茶倒到茶杯里去的时候,总会把一个茶匙放在杯子里,就是为了防止杯子被烫碎。

玻璃杯的内外壁,只有当开水一下子很快地倒进去的时候,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应力,杯子也就不会破裂。假如杯子里放着一柄茶匙,当开水倒进杯底的时候,在述没有来得及烫热玻璃杯之前,会把一部分的热分给了良导体的金属茶匙,因此,开水的温度就降低了,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。至于继续倒进去的开水,对于杯子已经不那么可怕了,因为杯子已经来得及略为烫热的缘故。

总而言之,杯子里的金属茶匙,特别是这柄茶匙如果非常大,是会缓和杯子受热的不平均,因而防止杯子破裂的。

拔火罐的秘密

奶奶最近可能是受凉了,老是背疼,她不停地念叨着要是有个人帮她拔个火罐,她肯定就能舒服不少。

小明很好奇,他问奶奶,拔火罐怎么能治病呢?至于原因奶奶也说不上来,只是说很久以前人们就懂得用这个方法并且还挺管用。

下面让我们来模拟一下拔火罐的场景:找一个水杯或玻璃罐头瓶,一块旧棉布。把棉布湿水后,叠成几层,平放在桌面上,然后给瓶里放上一团棉花,用火燃着,不等火熄灭,就赶快把瓶子扣在湿布上,瓶子就把布吸住了。

这是因为瓶里的空气,有一部分受热膨胀后跑掉了,瓶子扣在湿布上以后,里边空气很快凉下来,瓶里空气的压强小于外面空气的压强,在里外压力差的作用下,湿布就好像被一只无形的手按住一样,掉不下来了。拔火罐就利用了这个原理。拔过火罐的人都会感觉到,在罐口处有一股向上拔的劲,就是这股劲促进机体的新陈代谢,达到一定的治疗目的。拔火罐的医疗方法在我国已有很悠久的历史,大约在公元4世纪就开始被使用了。这说明在1600多年前,我们的祖先就已知道气体热胀冷缩的现象,并且利用了它。

可是,为了证明大气有压力存在,以及测定大气压强到底有多大,科学家们却花费了大量的精力。著名的科学家伽利略,虽然发现了抽水机桶不能把水吸到高于9.8米的高度,但是无法解释它的原因。直到他去世后的一年(1643年),才由他的学生托里拆利用大气的压强进行了解释。当时托里拆利测得大气的压强是76厘米水银柱高,即1.01×105牛顿/米2。不久,托里拆利的解释被实验证实,其中最有名的实验,就是德国科学家冯·葛利克于1654年进行的。他用铜做了两个中空的半圆球,直径是1.2英尺(约合37厘米),两个半球的边缘都镶了涂有油脂的皮圈,使它们合在一起的时候不会漏气。起先,把这两个半球合在一起,轻轻地一拉,它们就分开了。接着,又把这两个球粘在一起,抽去球内的空气。这次人再也拉不开了,改用16匹马,一边8匹,向相反的方向拉,才把铜球拉开。这是因为抽气前,球内外所受的气压相同,轻轻用力就可以把两个半球分开;抽气以后,球内的气压很低,几乎没有,铜球受到外部气压的作用,被紧紧地压在一起,据计算这种压力大约有2100多千克,难怪人很难把它拉开。

以后科学家们还发现,一定气体的压强还随着温度的升高而增大。明白了这个道理,我们就可以解释日常生活中的许多现象,如用高压锅做好饭后,为什么不能马上打开锅盖;为什么爆米花机能把结实的米粒爆成松脆的米花等等。

会出"汗"的茶叶

暑假里,外公外婆来小明家做客。小明赶忙从冰箱里拿出爸爸爱喝的茶叶,给外公外婆沏好了茶。

刚准备把茶叶盒放回冰箱里,小明惊奇地发现茶叶盒的外表湿漉漉的,且有水滴顺着外壁往下淌,就像夏天人出汗一样。

难道茶叶盒也会"出汗"?他好奇地拿起茶叶盒,认真地看了起来。这是一只纸质的盒子,与普通的盒子相比没什么特别的地方。难道是里面的茶叶放在冰箱里变湿了?小明再次打开茶叶盒,摸了摸里面的茶叶,觉得茶叶并没有湿,用手捏了捏,茶叶还是脆脆的。那茶叶盒外表的小水珠是从哪里来的呢?

开学后,小明问过老师才知道,瓶子刚从冰箱里拿出来的时候,其温度比周围空气的温度低,空气中的水蒸气遇到冷的瓶子之后就会放热液化成小水珠附着在瓶子表面,于是,汗就形成了。同样在炎热的夏天,茶叶从冰箱中被取出来之后,其温度比周围温度低,空气中的水蒸气遇到冷的茶叶后会液化成小水珠附着在茶叶上面使茶叶受潮,故不宜马上打开装茶叶的盒子,应该将茶叶放置一段时间,待茶叶的温度与空气的温度差不多时,再打开包装,茶叶才不会受潮!

同学们有没有做过化学实验呢?

实验室里经常用冷凝水和冷凝管利用放热液化的原理冷凝气体,有易挥发的液体反应物时,为了避免反应物损耗和充分利用原料,要在发生装置设计冷凝回流装置,使该物质通过冷凝后由气态恢复为液态,从而回流并收集。在实验室可通过在发生装置安装长玻璃管或冷凝回流管等实现。

响水不开,开水不响

水是一种宝贵的资源,是我们生活中不可缺少的东西,也是我们生活的源泉。但你可知道,水里面还有一大段科学道理呢。

一天,妈妈口叫小华帮她烧一壶水,于是,小华就拿了一个空水壶,到自来水龙头下装满一壶清水,放在煤气灶上烧。

大约烧了4分钟以后,水壶里发出"吱吱吱"的响声,响声越来越大。

小华对妈妈说:"妈妈,水已经开了。"

但妈妈却说:"水还没有开。"

小华感到疑惑,就打盖子看,果然水没有开。

小华非常奇怪,妈妈说:"响水不开,开水不响。"

我们知道,往水壶里倒水的时候,水壶的四壁都带有空气,同时由于水中能溶有少量空气,这些小气泡就起到了气化核的作用。另外,水对空气的溶解度及水壶壁对空气的吸附量会随温度的升高而减少,当水被加热时,溶解在水中的空气与水壶壁的空气会随着温度的升高首先在受热面的器壁上生成。

气泡生成之后,由于水继续被加热,温度继续升高,在受热面附近形成过热水层,它将不断地向小气泡内蒸发水蒸气,使泡内的压强不断增大,压强不断增大,气泡的体积就会不断膨胀,气泡所受的浮力也随之增大。当气泡所受的浮力大于气泡与壁间的附着力时,气泡便离开器壁开始上浮。

另外,由于水壶里水层的温度不同,受热面附近水层的温度较高,远离受热面附近的温度较低。气泡在上升过程中不仅泡内空气压强随水温的降低而降低,泡内有一部分水蒸气凝结成饱和蒸汽,压强同样在减小,而外界压强基本不变,此时,泡外压强大于内压强,于是,上浮的气泡在上升过程中体积将缩小,当水温接近沸点时,有大量的气泡涌现,接连不断地上升,并迅速地由大变小,使水剧烈地振荡,产生"吱吱吱"的响声,这就是"响水不开"的道理。

水温继续升高,由于对流和气泡不断地将热能带至中、上层,使整个容器的水温趋于一致,此时,气泡脱离器壁上浮,其内部的饱和水蒸气将不会凝结,饱和蒸汽压强趋于一个稳定值。气泡在上浮过程中,液体对气泡的静压强随着水的深度变小而减小,因此,气泡壁所受的外压强与其内压强相比也在逐渐减小,分界面上的温度平衡遭到破坏,气泡迅速膨胀,加速上浮,直至水面释放出蒸汽和空气,水就开始沸腾了。也就是人们常说的"水开了",由于此时气泡上升至水面破裂,对水的振荡减弱,几乎听不到"吱吱吱"的响声,这就是"开水不响"的原因。

简单地说,烧开水的原理就是水温在升高的过程中,将水壶壁上和溶解在水内的空气排出的一个过程。

果然,过了一会儿,响声没有了,但水壶到处却冒出水蒸气。妈妈便打开盖,看见水正在沸腾。水这会儿真的烧开了,妈妈便关掉了煤气。

生活中,不能用凉开水去养金鱼,而需要用自然界的河水、湖水和海水,因为这些水里都有空气,鱼是靠鳃吸入水里面的氧气生活的。可是冷开水就不行了,水在烧开的时候,水里的氧气受热后就跑掉了,用凉开水养鱼,鱼吸不到氧气就会死去。

为什么冰是滑的?

在擦得光光的地板上,要比在普通地板上容易滑倒。这样看来,冰上也应该一样了,就是光滑的冰应该比凹凸不平的冰更滑了。

但是,假如你曾经在凹凸不平的冰面上拖过满载重物的小雪橇,你就会相信,雪橇在这种冰面上行进,竟要比在平滑的冰面上省力得多。这就是说,不平的冰面竟比平滑的冰面更滑!解释是,冰的滑性主要并不因为它平滑,而是由于完全另外的一个原因,就是当压强增加的时候,冰的熔点要减低。

让我们分析一下,当我们溜冰或者乘雪橇滑行的时候,究竟发生一些什么事情。当我们穿了溜冰鞋站在冰上的时候,用鞋底下装着的冰刀的刃口接触着冰面,我们的身体是只支持在很小很小的面积上,--一共只有几平方毫米的面积上。你的全部体重就压在这样大小的面积上。假如你想起第2章里所谈的关于压强的问题,你就可以明白,溜冰的人对于冰面所加的压强是极大的。在极大压强的作用下,冰在比较低的温度也能够熔化;比方说,现在冰的温度是-5℃,而冰刀的压力把冰刀下面的冰的熔点减低的还不止5℃,那么这部分的冰就要熔化了理论上可以算出,要使冰的熔点减低1℃,每平方厘米上要有130千克的大压力。但是这是指冰熔化的时候和水都是在同一压强下说的。而在现在我们所举的一些例子里,受到压力的只是冰,至于因此产生的水,它只受大气的压强;在这样的情形下,压力对于冰的熔点的影响要大得多。。那时候就怎么样了呢?那时候在冰刀的刃口和冰面之间产生了一薄层的水,--于是,溜冰的人可以自由滑溜了。等他的脚滑到了另外一个地方,发生的情形也是一样。总之,溜冰的人所到的地方,在他的冰刀下面的冰都变成了一薄层水。在现有各种物体当中,还只有冰具有这种性质,因此一位物理学家把冰称做"自然界惟一滑的物体"。其他物体只是平滑,却不滑溜。

现在我们可以谈到本节的题目上来了:光滑的还是凹凸不平的更滑。我们已经知道,冰面给同一个重物压着,受压面积越小,压强就越大。那么,一个溜冰的人站在平滑的冰面上,对支点所加的压强大呢,还是站在凹凸不平的冰面上所加的压强大?当然在凹凸不平的情形压强大:因为在不平的冰面上,他只支持在冰面的几个凸起点上。而冰面的压强越大,冰的熔化也越快,因此,这冰也就显得更滑了(这个解释只对于刀刃比较阔的冰刀是适用的,对于刀刃锋利的冰刀,因为它会切割到冰的凸起部分里去,上面所说是不适用的--在这个情形,运动的能量要消耗到切割凸起部分上面去)。

日常生活里有许多别的现象,也可以用冰在大压强下面熔点减低的道理来解释。两块冰迭起来用力挤压,就会冻结成一块,正可以用这个道理来说明。孩子们在捏雪球的时候,无意识地正是利用了这个特性,雪片在受到压力的时候,减低了它的熔点,因此有一部分熔化了,手一放开就又冻结起来。我们在滚雪球的时候,也是在运用冰的这个特性:滚在雪上的雪球因为它本身的重量使它下面的雪暂时的熔化,接着又冻结起来,粘上了更多的雪。现在你当然也会明白为什么在极冷的日子,雪只能够给捏成松松的雪团,而雪球也不容易滚大。人行道上的雪,经过走路的人践踏以后,也因为这个缘故,会逐渐凝成坚实的冰,雪片冻成了一整层的冰块。

皮袄会给你温暖吗?

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