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第5节热
夏天感到热,冬天感到冷,通常我们以自己的冷热感觉作为对环境的判断。但这种判断并不准确,甚至会出现判断相反的情况。比如同样的井水,夏天酷热时节,这水真是沁人心脾啊,冬天一双冻僵的手则觉得真是春天般的温暖。所以精确衡量冷热需引入温度的概念。我们生活的环境最容易接触的就是水,以水的结冰点定义为0度,沸腾点为100度(在海平面的高度)。这就是瑞典人摄耳修斯对温度的划分。荷兰人华伦海特制定了另外一种划分方法,把一定浓度的盐水结冰温度定为0度,把纯水结冰温度定为32度,水沸腾的温度定为212度。通常我们称为摄氏温度或华氏温度。我国采用摄氏温度划分,以下叙述中温度全部采用摄氏温度。
温度定义好以后,对于宇宙任意物体的冷热效果,都用其温度来表达。原则上温度没有设上限,可以任意高(实际上,光速给出了对应温度的上限),但有下限,最低到零下27315度,记为-27315c。这个令人意外。太阳内部温度上百万度,某些恒星表面1万度以上,太阳表面温度5500c。地球表面最热的地方是火山口,可达1000c以上,在南极洲,最冷的地方可达-89c。大多数地球的生命可以存活的温度范围大致从0c到50c。少数可以生活中极限环境中。冻原的细菌可以在-150c生存,海底热泉附近的细菌可以在400c生存。多数哺乳动物的体温和我们接近,维持在37c左右。我们的体温基本恒定,如果体温过高或过低,都会危及生命。
温度高低不同我们感觉热冷不同,但并不是温度决定一切。在炉子上烧开水,烧开小锅水和大锅水的时间不同。身体暴露在0c的空中,人体还可以坚持很长时间,但人体泡在0c的水中,很快就要丧生。造成以上差异的就是热量。
首先,热量可以传递。烧开水时,无论是燃气还是电炉丝,其温度都在800c以上,开水温度才100c,所以热量是由燃气通过锅传至水。气温0c,我们体温37c,那么热量就由身体传到空气。热量的变化带来了温度的变化。我们定义热量,单位用卡。如同定义长度,单位用米一样。1卡就是1克水升高1摄氏度所需的热量。大锅水比小锅水量大,升高一度需要的热量多,而炉子提供的热量固定,所以烧得慢。温度上升或下降是因为热量的进入或丧失。而热量的进入或丧失是因为热量进出的两方温度有差异。
其次不同物质在温度变化时热量需求是不同的。在所有物质中,同重量物质等温升高水需要的热量最多。换而言之,在重量相同、降温数量相同情况下,水降温时释放的热量最多。加热1克空气使得温度上升1度需要的热量仅是水的六分之一,而且1克空气的体积几乎是1克水的1000倍!身体向空气传热时,体表的空气很快就被加热,同时皮肤丧失热量因而温度下降。两者温度相同时不再进行热量传递。而距离皮肤较远的空气温度又低于皮肤表层空气温度,所以热量又继续向远离皮肤的方向传递。导致皮肤表层空气温度下降,而这又导致皮肤继续向空气散热。身体内部也类似。从肌肉到皮肤,温度逐渐下降。这样从肌肉到空气,形成了温度的连续下降的一个持续状态。比如:肌肉37c,脂肪内层35c,外层30c,皮肤20c,皮肤表层空气15c…远处空气0c。此时身体不断向外散热,维持着温度分布的稳定。如果身体产生的热量大于或等于保持上述温度分布而需要的热量,人体就能生存下去。在这种情况下,刮来一阵风,就破坏了体表空气形成的温度分布,直接让0c空气抵达体表,人体马上散更多的热出来。此时对身体的状况就相当于不刮风空气温度为-20c时的情况下,人体建立的温度分布。冬天气温不变,刮风和不刮风的日子,身体感觉完全不同。动物的皮外毛发密集,固定住大量空气不受风的影响,这样建立起静态的温度分布,最大限度地降低了恶劣气候的影响。人类使用动物毛皮做衣服,用羽绒填充衣服中间,也是同样原理。当人在水中时,比如在北极的冰海中,海水温度比0c还低一点。皮肤接触同样体积的水,重量几乎是同体积空气的1000倍,加热升温一度需要的热量是4000倍。维持同样的温度分布,人体散发的热量远远不够。所以体温会急剧下降。事实上全身卷缩起来,尽力保持腹部和腋窝的温度,可以生存15分钟。否则5分钟就丧生。而同样在北极附近,夏天后的第一场雪落在因纽特人裸露的皮肤上渐渐融化,他们迎来了新年,安然入睡。思考:
1四万年前,史前人类有了重大发明,双卷边缝纫技术,这样毛皮制作的衣服不漏风,他们得以进入当时寒冷的欧洲,随后又征服西伯利亚。沙漠中夏天也需要穿类似的衣服,为什么?
2大象身体没有毛,而它的近亲,猛犸象(最晚于4000年前灭绝),又称长毛象,浑身长满了毛。犀牛同样没有毛,但其近亲长毛犀牛也是浑身长毛(最晚1万年前灭绝)。估计这些灭绝的近亲应该生活在什么环境中?
3有冬泳爱好者,大冬天凿开冰面游泳。估计能游多久?为什么出水后浑身通红?
4初夏开始游泳,水温尚低。刚入水身体感觉很冷,一会就适应了。这说明什么?最后可以测量一下体表温度和水温,让没游的人用手指感觉一下即可。
5人体的热量来自体内储能。在身体热量供应不足时,会打冷颤,事实是肌肉在释放热量。很多时候喝高度酒来御寒,其实是在饮鸩止渴。这时候吃点高热量的东西是正经事。为什么?
6俄罗斯大妈,基本是胖子的代名词。南方人,比如岭南地区人,都显得干瘦。为什么?北极熊、海豹、海象都安然在冰水中生活,它们身体和人体的差异在哪里?
7大型鲸鱼经常在两极活动,人类自19世纪开始大量捕鲸。那是工业革命的时代,在石油工业尚未开始时,鲸鱼就是提供润滑油、蜡烛的天然仓库,为什么?
8有喜好晒日光浴的,在冰天雪地中全身晒太阳。可以肯定的是,当天天气无风。如果刮大风,还能坚持几分钟?
9肌肉温度低于正常状态,就丧失部分功能。如果温度严重不足,就表现为冻僵效果。人容易冻僵的部分有手脚耳朵鼻子。为什么?
10人体吸入空气,会对空气进行加热或散热。扁平鼻子易于散热。高窄鼻子加热快。观察鼻子就知道祖先在那里长期生活。
11生活在水边的鸟类,腹部有厚厚的绒毛,中间固定着大量空气。在水中时,这些空气就是隔离层,防止水直接接触到皮肤,起到良好的隔热作用。我们使用羽绒衣,就是将这些绒毛填充在衣服内层,形成隔热层。同样,棉花也是类似作用。
早穿棉袄午穿纱,围着火炉吃西瓜。这是说新疆一天内的情景呢。桑拿夏天,天还没亮,就热烘烘的,太阳露个头,蒸笼开始上汽。好一个马拉松式的减肥过程,但除了难受,还是那么胖。持续到凌晨,终于困得合眼了。这是长江流域的情景。
新疆的情况,说明昼夜温差很大。这也是新疆瓜果甜的原因。白天日光强,温度高,植物光合作用,合成大量糖分。晚上气温低,植物消耗低。综合结果糖分积累很高。为什么昼夜温差大呢?太阳出来了,天空晴朗无云,大量热量传到地面。而地面沙子比例很高,和水相比,同样的热量,沙子升高的温度是水的四倍。少量的热量就可以使沙子温度上升很高。地面温度上升了,空气又被地面加热,所以午穿纱。但在阴凉地方或室内,温度并不高。另外一个重要因素,空气中水蒸汽含量低,人出的汗很容易挥发,所以显得干爽。在高原昆明也有类似效果,只是程度要低些。太阳落山了,失去了太阳的热量补充。地面和空气中的热量依然向太空中以辐射的形式散发。虽然温度很高,但实际储存的热量较少,不存在阻碍散热因素,很快就散发完了,温度降低到辐射散热收支平衡的程度。所以晚上冷飕飕的。
长江流域的情况,说明昼夜温差小。桑拿的起因是空气中水蒸汽含量快达到极限了。这样人体排出汗很难挥发,都附着身体表面。感觉粘乎乎的,很不舒服。夏天时,副热带高气压笼罩着长江流域(参见16页图),气温高,空气对流弱,风少而小。尤其城市中缺乏植被进行辅助降温,导致整天闷热。气温虽然不如新疆高,但人体自身降温措施失效,躲在哪里都没用。空调可以使某密闭空间温度适宜,后果是恶化整个外部环境,并且恶化效果大于密闭空间的适宜效果。至于大多少,要看空调的效率高低了。所以桑拿天气还有一部分的人为贡献。地表泥土为主,含水量大,储存的热量大,散热时空气中的水蒸汽、云都是妨碍散热因素。所以晚上散热效果不佳。在地球同纬度的其他地区,大量都是沙漠。都是副热带高气压和人共同惹的祸,撒哈拉沙漠史前还是草原呢。当然气候是主要因素,环境太脆弱,人只不过小小地推了一把,就让环境万劫不复。同样的情况也出现在新疆东部和甘肃、内蒙西部。
在热带,气温一直很高,不存在四季情况,只存在雨季和旱季。而雨季和旱季交替依赖季风的风向。而暖湿气流只能来自海洋。西双版纳,旱季是11月到来年4月,雨季是4月到11月。那么对应的季风情况,就是11月到4月,刮东北风,所以旱季。4月到11月,刮西南风,风来自印度洋,所以雨季。而太平洋的气流最远可以抵达青海西宁,大西洋的气流最远抵达新疆伊犁河谷。青海和新疆大部分地区,甘肃中西部,内蒙中西部,没有海洋气流抵达。如果没有喜马拉雅山脉及青藏高原,印度洋的气流估计可以抵达。经常光顾这里的气流主要是西伯利亚寒流,因此降雨量很小。地貌以草原、沙漠为主,水主要来自冰川融化。在内陆河流经的地方形成绿洲和贸易中转站,间或可以进行农业种植。近几十年全球气候快速变暖,导致冰川积累不足,逐年退后,依赖冰川融水的地区水供应日渐窘迫。
(本章未完,请翻页)思考:
1中国耕地面积,目前集中在华南、长江流域、华北和东北。耕地对水供给的要求较高。而草原要求很低。在历史上,长城是防御草原游牧部落进攻的主要屏障。农业耕作,对降雨量达要求是400毫米,中国的400毫米降水线和长城的路线比较吻合,这个是巧合吗?
2昼夜温差小的区域应该有什么要求呢?那些是主要因素?
3空气中水蒸汽含量使用湿度来描述,湿度达到100%就说明目前空气中的水蒸气达到最大量了,无法再增加了。湿度和温度密切相关,温度越高,空气中允许存在的水蒸气越多。通常的湿度都是指当前温度下,空气中水蒸气的数量和最大可存在值的比例关系,称为相对湿度(绝对湿度是指水蒸气和空气数量的比例关系)。桑拿天气,湿度接近100%,在自来水管道上,可以看到凝结大量水滴,为什么?另外地球上最干燥的地方在南极,为什么?阿塔卡马沙漠为什么比不过?
4早期文明,周围都有大河。埃及有尼罗和,苏美尔有幼发拉底河和底格里斯河,印度有恒河,中国有黄河。为什么?希腊没有大河,但其文明却扩散到地中海和黑海区域。而那些有大河的文明,却没有扩散开?
5水稻种植,中国长江流域被认为是世界最早的。后发现中南半岛同时期也有种植。无论那里起源,从这种作物的名称就知道,缺乏大规模推广的可能性。五谷(或)中,共有的四谷对水的需求较小。但很多干旱区域都产水稻,比如新疆阿克苏、甘肃张掖、山西太原,找寻原因并判断,那里可以移植?
6中国历史上,有好几次气候大规模变冷、变旱,导致物种生存范围巨变。8000年前,青藏高原变冷,在长江黄河上游的农业部落搬家。5000年前,大象从甘肃分布到北京,随后南迁。春秋中期,黄河流域变冷变旱,原本还有犀牛在此游荡。北宋末年,河南的竹子全部冻死,后来北方很难再有竹子存在。明末,整个北方都寒冷干旱,农业歉收或绝收。其他时期间或有中小规模气候变动。游牧部落大规模入侵,背后的气候因素也是一大推手。从黑海到鄂霍次克海(唐:少海)的游牧部落,在定居文明的历史记载出现时,可体会气候的冷暖变迁。能找到气候变暖、变湿的时期吗?
7金星大气稠密,主要是二氧化碳,这种气体有利于热量积聚,不利于散发,所以表面温度可达400c。地球气候变暖,空气中二氧化碳含量增加。二氧化碳含量增加也导致气候变暖。那么究竟哪个是因?那个是果?或许这种简单判断并不合适。
8航天飞机,在太空中,太阳晒着地方温度超过100c,阴影的地方温度为-100c。新疆的昼夜温差虽大,但远远不能和这个比。地球大气虽然不够稠密,现在感觉到它的可贵了吧。如果稠密到金星的程度,昼夜温差就基本消失了,就没办法吃水果和粮食了。总之,地球最好。
水到了100c就沸腾,称之为沸点,在0c就凝结,称之为冰点,这是通常情况。在一些情况下,沸点温度和冰点温度发生变化。在高山上烧水,水很快就烧开了,却不怎么烫。如果用温度计测量,就发现温度低于100c。水在开始加热后,微量水就可能进入气态形成微气泡,在气泡内,水蒸气变成水和水变成水蒸气同时在发生。当温度上升,气泡内的压力上升,到一定程度时,水蒸气和水相互转化达到平衡(此时平衡压称之为此温度下的蒸气压)。温度越高,对应的平衡压越大。当气泡平衡压等于外面的大气压时,气泡就可以上升到水面,水就进入沸腾状态。此时对应的温度就是沸点。如果外面大气压降低时,沸点对应的气泡平衡压自然降低,平衡压降低意味着对应的温度降低。即沸点温度下降。所以,气压大小决定了沸点的高低。水的沸点变化:02个大气压,60c,05个大气压,80c,1个大气压,100c,2个大气压,120c。在深海海底,热泉冒出的水温是400c。
烧开水的目的是杀死水中的细菌、寄生虫卵等。而高山上的沸水温度低,无法有效杀死细菌,就失去了烧开水的效果。同样做饭也不容易熟。高压锅就是锅密闭起来,里面气压超过海平面气压,水要超过100c才能沸腾,这样做饭烧菜熟的快,烧得烂。高压锅都有放气阀门,当压力超过限定值时,就开始放蒸气,保证压力锅不会爆炸。
水中0c结冰,体积膨胀。这个是与多数物质不同的地方。如果限制水的体积膨胀,水就无法结冰。在电视会看到花样滑冰,这些冰上舞者的鞋子下部是冰刀。冰刀的刃很窄,加上人的重量,就直接压人冰中,而被压的细条冰体积减小,恢复成为水,这样有水起润滑作用,滑冰就很轻松。当冰刀离开刚刚形成的水槽后,这些水很快又结成冰。
空气被加热时,体积会膨胀,而重量不变,那么密度就减小。周围空气密度不变时,这些热空气就因为浮力升上去了。同理,当空气变冷后,体积减小,密度增加,就下沉了。所以家里生火做饭,锅是放在火上面,这样可以最大幅度地利用热。北方有暖气供应的地方,暖气片都放在窗户下面,这样窗外的冷空气进来,就直接下沉到暖气片上,很快就被加热了。
水比较特别。在4c时,加热体积增加。降温体积也增加!也就是说水的密度最大不是0c(大多数液体都是在凝固点密度最大),而是4c。河水结冰,冰本身浮在水面上,而冰下的水里面,从上到下,温度是0c到4c,生活中水中的鱼类,就可以待在最高温处,4c的河底。倘若冰密度比水大,那么整个河、湖,甚至海在冬天都变成冰的世界,水中的多数复杂生命不能呼吸而无法存活。不过水结冰后体积变大,带来一些问题,生命的基本构成是细胞,内部充满了水。当这些水结冰时,细胞膜就撑破了,生命无法存活。(某些两栖动物,细胞内有防冻液,在全身都冻在冰中时,细胞保持液态)
水的这些特性:存热性最好、固态体积大于液体、4c密度最大。使得生命成为可能,所有的生命,组成身体的物质中大部分都是水。比如人体大约70%是水,人体密度和水差不多。所以人学游泳是比较容易的,尤其是刚出生的婴儿,已经在水里面生活了九个月。
地球上生命非常顽强,从深海海底到高山之巅,从万年的冰中,到咸涩的盐池,生命无所不在。但是地球有一个广阔的地方,居然没有任何生命,这里比手术室的灭菌条件还要严酷。在智利北部的阿塔卡马沙漠,多年不曾降雨,地面没有一点水分。看起来算不上最严酷的地区,却因为没有一点水,成为生命的禁区。
夏天冰淇淋、冰棍(现在还有吗?)很受欢迎。在吃到嘴里瞬间,舌头感到冰冷,表明热量正离开舌头进入冰淇淋。慢慢地冰淇淋化为甜香的液体,此时温度并没有提高。在这个过程中冰吸收的热,称为熔化潜热。等冰吸饱了潜热,就全部化为水,再吸热,水才升温。烧开水也有同样情况,水到了100c,再吸热,成为100c的水蒸气。温度保持不变。如果没有热量补充,就变不了水蒸气。这部分热量成为气化潜热。80卡热量可以让1克水从0c升高到80c,但只能让1克冰化为1可水。而1克100c的水变为100c的水蒸气要540卡!
前面我们提到飓风,也称为台风,就是水蒸气释放出的潜热造成的。在热带海面上,海水温度足够高(大于27c),且热海水足够深(大于50米),这个就是飓风的能量来源。在此海面上,一个巨大的热气包离开海面,形成局部真空,此处气压降低,形成飓风中心。周围的空气涌来补充。而涌来的气流由科里奥利力偏转,形成逆时针(北半球)或顺时针(南半球)的大旋涡。大量携带水蒸气的上升气流包,在空中温度迅速下降,部分水蒸气凝为水,释放出大量汽化潜热。这些潜热以风的形式出现,高风速导致低气压(伯努利原理),低气压导致令蒸发增加,继而使更多的水汽冷凝。大部分释放出的热量驱动上升气流,使风暴云层的高度上升,进一步加快冷凝。这是一个自我驱动的过程,使得飓风越来越强,范围可达几百公里,相当于一个强力吸热器。如果海面水不够热,热水量不够多,就无法维持下去。飓风移动过程中,由于不停从海水吸热,所经过的海面温度普遍下降。当飓风进入陆地,没有供热源了,飓风就慢慢消散。当然消散前,前面积攒的能量就以破坏的形式出现。
陆地上类似的形式是龙卷风,当然规模不能和飓风相提并论。也是由大尺度(比海中小的多,不到百米)的上升气流引发,多数旋转方向和飓风相同。由于尺度相对科里奥利力有效作用的范围小,因此有可能出现反方向旋转的情况。另外缺乏热补充,持续时间短,移动距离几公里到几十公里之间。
思考:
1我们做饭时,蒸煮常用温度就是100c。炒菜温度超过250c,烧烤温度超过500c。那么低温能不能做熟饭呢?比如60c炒菜,50c煮饭。
2潜水艇发射导弹时,一直加热导弹井底部的水,待其全部变成水蒸气后,继续加热,压力越来越大。最后导弹被弹出发射井,冲出水面,再进行点火。类似情况,鱼、雷发射,航空母舰上的舰载飞机弹射,都用水蒸气进行。那么航天飞机发射时,发射口下面也有大量水,发射时也是滚滚水蒸气大量涌出,这个是起什么作用呢?*
3使用热水时,不小心会将少量热水倒在皮肤上,很快皮肤会变红。但是如果不小心让蒸汽喷在皮肤上,很容易起大水泡。
4冬天找一大块冰,找一截细铁丝,把铁丝挂在冰上,两端拴一个重物,比如哑铃,观察铁丝情况。铁丝能一直挂在冰块上吗?
5永久冻土,是温度常年低于0c,土内部的水分完全以冰的形式存在,分布在高寒地带。在中国,一般冻土上方覆盖着数米到数十米厚不等的正常土壤。冻土可以保持水分,上方土壤的水受冻土阻隔无法渗透流走,
(本章未完,请翻页)地下水位较高,容易形成湿地和草甸。气候变暖,冻土消失,地下水位下降,上层土壤无法保持水分,湿地草甸逐渐荒漠化。在青藏高原、大兴安岭,易见这样场景。若大范围冻土消失,表面地形会有什么变化?
6家用空调,都安装在房间接近顶部的位置。暖气片,都安装在窗户下方。为什么?
7夏日午后,经常可以观察到小旋风。在地面的某个区域,突然出现一股旋风,刮起少量尘土。尘土在风中的移动显示出旋风的旋转和路径。那么此刻旋风的旋转方向是由什么决定的?仔细观察起旋风的初始区域,和其他区域有什么区别?
8滑翔机,没有动力,在空中滑翔。按道理应该是高度越来越低。但实际上一个经验丰富的飞行员,可以维持高度不降,甚至越来越高,他是怎么做到的?*
9有时候,龙卷风经过河面或湖面,会吸走大量水,甚至携带一些鱼类和两栖动物。导致另外一个区域下起了动物雨。那么会不会把动物带到一个生活环境截然不同的地区?
10在正常情况下,0c水开始结冰。若水非常纯净,没有任何杂质,则到-70c,水也不会结冰,称为过冷水,如右图。水管喷出过冷水,在接触杂质后,瞬间结冰。夏天有时候会有冰雹。这是在高空中存在强烈的对流气流,小水滴在气流作用无法降落,融合成为大水滴才降落下来。当气温低于0c,凝为冰粒,下落过程中受气流影响,可能再次上升,多次聚集水滴,逐渐增大。当个头增加到气流无法维持时,降落下来,成为冰雹。冰雹形成中,影响体积大小的因素是什么?
11在海战中,当某艘船即将沉没,周围的船员都赶紧离开船附近水域,为什么?
12在影视节目中,子弹射入水中,我们看到一条条气泡形成的轨迹,这个轨迹就是子弹经过的路径。但气泡却又慢慢消失了,并没有上升到水面上。结合前面第四节最后部分的内容,解释气泡形成的原因。*
13海水的热量来自太阳,在不同纬度,太阳提供的能量不同,平均意义上赤道区域是最强的。由于洋流在赤道附近是自东往西流,那么这些洋流就持续被太阳加热,温度缓慢增加,大约每移动经度一度,增加01c,在洋流向两极方向移动时,向周围环境散热,每移动纬度一度,大约降低03c当洋流进入高纬度区域自西往东流时,由于周围环境温度低,此时洋流依然保持降温,幅度也是每经度01c。同理洋流自极地向赤道移动时,洋流从周围环境吸热,温度保持每纬度03c的增幅。由此可以断定,飓风易形成于大洋的西部区域。
在温度不同的2个物体之间,就产生热量传递。热量传递有3种形式。
1对流,发生在相同类型的流体内部。比如空气对流,水对流。热流上升,寒流下降,互通有无,最后温度一致,结束热量传递。大气有对流层,海洋有洋流、环流,专门进行热量重新分配,造成了地球多样的气候环境。热量分配同时带来了水的分配,把海洋中的水运输到陆地上,完成了生命进驻陆地的先决条件。
2传导,发生相互接触的对象之间,同时不满足对流条件。固体之间、固体和流体之间都以传导的方式进行热量传递。热水澡可以让一个冻萎靡的人恢复活力。因纽特人也是这种散热方式。不同物体热传导的性能不同,金属一般都比较好。陶瓷、皮革相对差。热传导性能最好的是银,是铁的9倍。铝也不错,是铁的44倍。银做炊具,价格有些高昂,普通人用不起。不过用银作碗、盘子有个好处,可以杀死部分菌。铁,虽然传导性能不是最好,但胜在价格便宜量又足,所以我们做饭的锅多数都采用铁。铝轻又传热快,为什么不采用铝呢?铝表面有一层氧化膜,可以防止铝进一步氧化,阻止人体摄入铝。但刷锅的时候用铁刷子刮擦,烹饪时一些酸性物质都很容易破坏膜。所以炒菜锅基本用铁锅。高压锅一般炖烧煮,用铝制造重量轻,便于使用,同时不易破坏表面的氧化膜。人体需要很多金属,但铝不在其中,所以尽量少摄入铝。
3辐射,发生在不接触的对象之间。比如太阳通过辐射,给地球带来大量热。空气对流时,热空气进入高空,通过辐射的方式把热量散发到太空。并且所有物体,只要温度不是-27315c,就向外辐射,区别只是辐射量的大小。辐射和对流是宇宙中最可行的热方式,比如太阳表面和内部采用对流方式,对外采用辐射方式。传导很少,因为宇宙中绝大多数可察觉物质都是流体形式存在。
通常情况下,热传递都是多种形式共同作用。烧开水,热源和壶之间是传导和辐射,壶和水之间是传导,水之间是对流。冬天烤火,是辐射和对流。烧烤,是辐射和传导。
热量产生有多种方式:燃烧、核反应、压缩、摩擦。通常我们做饭,使用天然气、液化气、煤炭、木柴、秸秆等等,燃烧产生大量热来进行。燃烧有温和的方式和猛烈的方式。像汽车发动机(烧油)、蒸汽机(烧煤炭)、做饭等类型的燃烧,是猛烈方式,燃料(被燃烧的材料)燃烧速度快,伴随着光、声等效果,产生出大量热。温和的方式就比如我们的身体。我们每天摄入一定量的食物,这些食物经过消化后变成身体组织可以处理的物质,在体会燃烧。产生的能量一部分用来维持我们的体温,保障我们的行动能力,另外一部分储存在细胞内。若这些物质消耗不完,多余的就以脂肪的形式存储下来,身体就慢慢发胖。所有动植物内部都是温和燃烧方式。现在航天飞机内部用的电池,很多都是燃料电池,通过燃烧氢气来产生电流,这种燃烧也是温和方式。太阳及其他恒星,都是通过核反应产生热,这是宇宙的普遍现象,燃烧是罕见现象。而在地球上,燃烧随时都在进行,而核反应发生在核电站、核试验、核攻击、核动力罕见等场所。和宇宙普遍情况截然相反,如同目前所知生命仅在地球上出现一样!一般情况下,固体和液体很难压缩,气体很容易压缩。自行车打气筒、握力橡胶圈,在多次使用后,都能感受到压缩产生的热。装甲车的实心轮胎,行驶时各部分都被循环压缩,长时间行驶后变得滚烫。摩擦产生热,是生活中普遍现象。最早的应用就是钻木取火,这种史前生火方式现在看起来虽然不便,却是人类从被动引火到主动生火的一个转变(因纽特人的传统生火方法就是钻木取火)。多数情况下,摩擦产生的热量虽然不多,但是带来很多麻烦。从工业革命开始,润滑油的广泛需求就是为了减小摩擦。
思考:
1自然中的空气和水的对流广泛存在,户内主要是强制对流。厨房的抽油烟机、大厅的排风扇、楼房的中央空调,这些强制对流都要消耗电力。但自然对流可以用来发电,了解目前新能源状况,列举有哪些自然对流发电方式?
2去参加宴席,通常凉盘和热菜都有。观察碗、盘子,多数都用陶瓷材料。更早时期,木制餐具也曾广泛使用,为什么?另外古罗马时期,铅制餐具广泛使用,造成铅中毒情况很普遍。
3夜视仪(红外线成像仪),在晚上无可见光线时,可以观察周围环境情况,为什么可以呢?
4保温瓶保温,密闭性隔绝了热对流可能,软木塞和玻璃瓶胆内的近似真空降低了热传导,瓶胆内膜镀银(镁),阻隔了热辐射。在保温瓶里面灌半瓶沸水,如果立即塞上软木塞,很快软木塞会飞出来。如果等一会再塞上。时间长了,软木塞不容易取出。为什么?
5城市里面有大量热产生。工厂的烟筒、汽车的尾气、空调的排气口、厨房的灶台、我们的呼气,都贡献着热。城市内植被少,水泥建筑多,空气中废物多,太阳辐射更容易蓄积。最终造成整个城市空气平均温度比郊区高。这个称之为热岛。乡村里面也有类似效果,不过热岛小很多。什么情况下热岛效应更大?什么情况下热岛效应变小呢?
6有煤有丰富水资源的地方,经常有火电厂。其标志性建筑是冷却塔,侧面呈弧形,顶上是热气腾腾的模样。直接让这些热水冷却,浪费很大。在北方,冬天可以使用这些热水供暖。另外,热水可以用来增温,养殖热带鱼类,比如罗非鱼。这是一种性价比非常高的鱼类。
7不同的食物燃烧的热量差别很大,把固定重量的某物质燃烧产生的热量称为热值。通常食物中热值最大的是奶油,和无烟煤的热值差不多。花生的热值也很高,虽然比不上酒精,比松木高。白糖也不错,比松木稍差。令人意外的是瘦肉的热值很低,和大米饭差不多,大约是松木的四分之一。炒鸡蛋比煮鸡蛋热值高30%。可发现油脂含量高或油炸的食物,热值高。食物的热值高不等于营养高。并且食物热量太高,超出人体需求太多,身体就发胖。虽然人体维持体温和活动都需要热量,而人体本身的运转却需要其他类型的物质。营养丰富是指产生热量的物质、代谢必须的物质、保持防护能力的物质都有的食物,通常某一类食物营养不全,偏爱某种食物的话对身体可能不利,所以要搭配吃。粗加工的米面(热量、维生素)、蔬菜(纤维素、维生素)、肉类(动物蛋白)、水果(维生素、微量元素)、豆类(植物蛋白、耐久性淀粉)混合,并且肥瘦肉都吃。当食物类型单一时,会形成特定的饮食习惯。因纽特人很难获取植物型食物(蔬菜),无法以这种方式补充维生素。但他们吃的肉食热加工程度很低,内部的维生素并没有破坏,所以安然无恙。西方人吃的牛排经常是5分熟,或3分熟,带着血丝吃,可能也有这方面的习惯因素。
8冬天双手冰凉,用力互相搓,一会手热起来。是摩擦生热的结果吗?
9长途客车,尤其是在山路上运营的,在车里一般有个大水桶,持续向刹车片滴灌。为什么要这样做?
10在户外探险时,携带一张金属膜热量反射布是很有必要的。当衣服湿透失去保暖效果,需保温时,这张轻便的热量反射衣可以有效防止体温快速下降。
(本章完)
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