第七章热的现象

  扇子

  人扇扇子的时候,自己当然会感到凉快的。他这样做,似乎对屋子里的其余的人是一点没有害处的,而且当时同他在一起的人好象还应当感谢他,因为他扇凉了屋子里的空气。

  现在让我们看实际情况是不是这样。为什么我们用扇子扇的时候会感到凉快呢?原来直接贴在我们脸上的那一层空气变热以后,就成了一层看不见的罩在我们脸上的热空气面罩,它使脸部“发热”,因为它延缓了我们脸上的热进一步消散。如果围绕着我们的空气不流动,那末贴在我们脸上的这层热空气只能十分缓慢地被比较重的没有变热的空气挤向上面去。当我们用扇子扇走热空气层的时候,我们的脸部就老是跟一份没有变热的新空气接触着,不断地把自己的热传给它们。我们身体上的热总是在消散,所以我们觉得凉快。

  可见,人扇着扇子的时候,他是不断地在从自己的脸部赶走热空气,用没有变热的空气来代替它。等到不热的空气又变热了的时候,另外一份不热的空气又来代替它了……

  扇子能加速空气的流动,使整个屋子里的空气温度很快地变得到处一样。可见扇着扇子的人是在用着别人周围的凉空气,使自己感到舒服。在下面我们还要谈一下扇子在另一种情况下所起的作用。

  有风的时候为什么更冷?

  大家都知道,人在没有风的天气里比在有风的天气里更耐冷。可是这种现象的原因并不见得每个人都知道得很清楚。在有风的时候觉得更冷,那只有生物才能感到。如果把温度计放在风里,它的水银柱是一点也不会下降的。人在有风的冷天所以会感到特别冷,首先是由于在那时候从脸部(一般说就是从全身)散掉的热要比在没有风的时候多得多;因为在没有风的时候,被身体暖和了的空气并不是很快地被新的一份冷空气所代替的。风力越强,在每一分钟里来得及流过来同皮肤接触的空气也越多。因此,每一分钟从我们身体上散掉的热量也越多。单是这一点,已经足够引起冷的感觉了。

  但是还有另外一种原因。我们的皮肤经常在蒸发水分,就是在冷空气里也是这样。可是蒸发需要热量,就从我们身体上和从贴在我们身体上的那层空气里把热量夺取出去。如果空气不动,蒸发就进行得很慢,因为贴在皮肤上的空气层很快就饱和了水蒸气(在饱和了水蒸气的空气里,蒸发是不能进行的)。可是如果空气是动的,贴在皮肤上的空气经常在更换,那末蒸发就常常进行得很顺利,而这就会大量地消耗从我们身体里夺取的热。

  那末风的冷却作用有多大呢?这是要看风的速度和空气的温度而定的;一般说来,它比普通所想的要大得多。现在让我举例来说明这一点。假定空气的温度是摄氏+4度,但是风一点也没有。在这样的条件下,我们皮肤的温度是摄氏31度。如果现在吹来了一阵刚能吹动旗子但还不能吹动树叶的微风(速度是每秒2米),那末我们皮肤上的温度就要下降7度。在能使旗子飘扬的风(速度是每秒6米)里,皮肤的温度要下降22度,结果就只剩9度了。

  总之,要判断我们所感到的冷,单凭温度是不够的,对于风的速度同样也应当注意。列宁格勒和莫斯科的寒冷程度是相同的,但是一般说莫斯科人会比列宁格勒人觉得冷得好受些,因为在波罗的海沿岸平均风速是每秒56米,而在莫斯科每秒只有4.5米。在外贝加尔区平均风速只有每秒1.3米,所以那里的寒冷会更好受些。东部西伯利亚的寒冷是出名的,但是它并不象住在欧洲吹惯了比较大的风的人所想象的那样难受。原来东部西伯利亚差不多是完全没有风的,特别是在冬季。

  沙漠的热风

  “这样说来,风在炎热的日子里也应当带来凉快了,”读者读了上面一段文章以后也许会说。“那末为什么在这种情况下旅行家有时候又提到所谓沙漠的热风呢?”

  所以会有这个矛盾,是因为在热带气候里,空气常常比人体更热。在那里,人在起风的时候会觉得更热,而不是觉得更凉快,是一点也不奇怪的。那里已经不是人体把热传给空气,而是相反地空气把热传给人。因此每分钟里流过来同人体接触的空气越多,人就越感到热。不错,这里的蒸发作用还是会因起风而加强的,但是热风带给人体的热究竟更多些。这也就是为什么沙漠里的居民,例如土尔克明人,要穿长袍和戴皮帽。

  面纱能不能保温?

  这是日常生活里的又一个物理学问题。妇女们都肯定说,面纱可以保温,不带它脸就觉得冷。可是在看到面纱是那样薄,上面还有相当大的孔的时候,男人们往往是不相信这话的,总以为面纱的保温作用只是妇女们的心理作用。

  可是,如果你回想一下上面所说的话,那你对于这个说法就不会认为太没有根据了。面纱上的孔尽管很大,空气要透过面纱总要慢一些。直接贴在脸上的那一层空气变热了以后,本来就有面罩的作用;而现在这一层空气在面纱阻拦下,不会象没有面纱的时候那样很快地被风吹散。因此没有理由不相信妇女们说的话:在略微有点冷和起着微风的时候散步,不带面纱要比带着面纱脸上觉得凉些。

  冷水瓶

  你如果没有看到过这种瓶,你也许听人说起过或者在书报里读到过。这种用没有烧过的粘土做的容器有一种有趣的性能,它能使灌在里面的水比周围的物体变得更凉些。这种容器南方各民族用得很多。它有各种各样的名字,在西班牙叫“阿里卡拉查”,在埃及叫“戈乌拉”,等等。

  这种水瓶的冷却作用的原因很简单:瓶里的水透过粘土壁来到瓶外,会慢慢地蒸发,蒸发的时候就从容器和它里面的水里夺取一部分热。

  不过这种容器里的水也不会变得很凉,象某些南国游记里所描写的那样。这里的冷却作用是不会很大的。它同许多条件有关系。空气越热,渗到容器外的液体就蒸发得越快越多,容器里面的水因而也就越凉。它也同周围空气的湿度有关:如果空气里水分很多,蒸发就进行得慢,容器里的水也就不十分容易冷却;反过来,在干燥的空气里,蒸发进行得很快,容器的冷却作用也就更显著些。风同样能够加速蒸发,帮助冷却。你如果在热而有风的日子里穿一件湿衣服,你就会觉得很凉快,从这一点就可以明白风的作用了。冷水瓶里温度的下降不会超过5度。在南方炎热的日子里,温度计有时候指着摄氏33度,这时候冷水瓶里的水往往同温水浴池里的水的温度相同:摄氏28度。这样看来,这种容器的冷却作用实际上并没有多大用处。但是它能很好地保持冷水的温度,使它不热,它的主要用途也就在这一方面。

  我们可以计算一下冷水瓶里的水可以冷到什么程度。

  假设我们的冷水瓶可以盛水5升;并且假定瓶里的水有110升已经蒸发掉了。在摄氏33度的热天,蒸发1升(1公斤)水大约需要580大卡的热。既然瓶里的水已经蒸发掉了110公斤,可知它已经消耗了58大卡的热。假如这58大卡的热全是瓶里的水供给的,瓶水的温度就会降低585,也就是大约12度。可是蒸发用的热大部分是从瓶壁上和瓶壁四周的空气里取得的;另一方面,瓶里的水一边在冷却,一边又在从贴在瓶外的热空气里取得热量而变热。因此,瓶里的水只能冷到上面求得的数字的一半。

  很难说,冷水瓶在什么地方冷却得更多些��是在日光下,还是在阴影里。在日光下,蒸发是加快了,可是同时进入瓶里的热也加多了。最好的方法大概是把冷水瓶放在略微有些风的阴影里。

  不用冰的“冰箱”

  根据蒸发致冷的原理,可以制造一种不用冰的冰箱,来保藏食物。这种冰箱的构造很简单。它是用木头做的(最好用白铁皮来做),箱里装有架子,架上可以安放要冷藏的食品。在箱顶上放一个长形的容器,容器里盛清洁的冷水;再拿一块粗布,把它的一端浸在容器里,让布的其余部分顺着“冰箱”的后壁往下挂,使另一端落在“冰箱”下面的另一个容器里。粗布湿透了水以后,水就会象通过灯芯一样,不断地在粗布上通过。这时候水会慢慢蒸发,使“冰箱”的所有部分变冷。

  这种“冰箱”应该放在室中凉爽的地方,并且要每天晚上更换冷水,使它在夜里来得及完全变凉。当然,盛水的容器和吸水的粗布应当十分清洁,那是不待说的。

  我们受得住多高的热?

  人类耐热的能力,比普通所想象的要强得多。南方各国人民能忍受住的温度,比我们住在温带的人认为无法再忍受的温度要高得多。澳洲中部夏天的温度在阴影的地方常常高到摄氏46度;最高甚至到过摄氏55度。轮船从红海驶入波斯湾的时候,船舱里虽然不断地通着风,里面的温度仍然高到摄氏50度以上。

  地面上,在自然界里见到的最高温度,没有超过摄氏57度的。北美洲加利福尼亚一个名叫“死谷”的地方,曾经测定有过这样高的温度。

  刚才所说的温度都是在阴影里测量出来的。让我顺便解释一下,气象学家为什么喜欢在阴影里而不喜欢在阳光里测量温度。原来只有放在阴影里的温度计测出来的才是空气的温度。如果把温度计放在阳光下,太阳就会把它晒得比周围空气热得多,因而温度计上所指的度数就不再是周围空气的温度了。所以如果用放在阳光里的温度计来测温度,那是一点意义也没有的。

  已经有人用实验方法测出了人体能够忍受的最高温度。原来在干燥的空气里,把人体周围的温度极慢极慢地增高,人不但能忍受住沸水的温度(摄氏100度),有时候还能忍受住更高的温度(一直高到摄氏160度)。英国物理学家布拉格顿和钦特里为了实验,曾经在面包房的烧热的炉子里停留过几小时,就是证据。丁达尔也曾经指出过:“人如果停留在空气的温度热到可以烧熟鸡蛋和牛排的房间里,还是可以安全无害的。”

  那末,人怎样会有这样高的耐热能力呢,原来人体实际上是不接受这样的温度的,它还保持着接近正常体温的温度。它用大量出汗的方法来抵抗高温;汗水蒸发的时候,能从紧贴皮肤那一层空气里吸取多量的热,使这层空气的温度大大减低。不过要人体能够忍受高温,唯一需要的条件是:人体不能直接接触热源,而且空气必须干燥。

  许多人有过这样的经验,盛夏温度达到三十度以上,比之黄霉天温度只有摄氏二十多度反而更容易忍受。原因当然在于黄霉天湿度高,而盛夏的湿度比较低。

  是温度计还是气压计?

  有一个出名的故事,谈到一个人因为下面所说的一种不平常的原因而不愿洗澡。

  “我把气压计插在浴盆里,可是气压计告诉我有雷雨……,这时候洗澡是危险的!”

  可是你别以为温度计和气压计常常是很容易分清的。有一些这样的温度计,说得正确一些是验温器,很可以叫它做气压计;相反的,也有一些气压计可以叫做温度计。希腊人希罗想出的那种验温器(图84)就可以当做例子。在阳光里把球晒热以后,球上部的空气就会膨胀,膨胀的空气就顺着曲管把水压到球外去。水开始从管的一端滴在漏斗里,再从漏斗流到下面的箱子里。在冷天,相反地,球里的空气压力会减小,于是下面箱子里的水就在外面空气的压力下沿着直管升到球里。

  可是这个仪器对气压的变动也是很敏感的:当外面的气压降低的时候,球里还保持着原先那种比较高的压力的空气就会膨胀,并且把一部分水顺着管子压进漏斗里。在外面的气压升高的时候,箱子里的一部分水也会被外面比较高的气压压到球里来。温度计每升降一度使球里的空


  米的时候球里空气体积所发生的变化一样。在莫斯科,气压的变动可以达到20毫米以上,20毫米相当于希罗验温器上的摄氏8度,也就是说,气压降低20毫米很容易误认做温度升高了摄氏8度!

  这样你就可以青出,古老的验温器简直可以说是一种气压计。有一个时候市上曾经可以买到一种盛水的气压计,它差不多也是一种温度计。可是关于这一点,不但购买的人不可能想到,也许连发明它的人也不会想到。

  煤油灯上的玻璃罩是做什么用的?

  很少有人知道,煤油灯上的玻璃罩在变成目前的形状以前,曾经历了多少长的道路。

  灯罩究竟有什么用呢?

  对于这样一个极其平常的问题,也未必是每一个人都能正确地回答的。保护火焰使它不致被风吹灭,只是灯罩的次要功用。它的主要功用是增加火焰的亮度,加快燃烧的过程。灯罩的功用同炉子或工厂里的烟囱的功用一样,它能使外面的空气大量地流向火焰,增强通风。

  让我们把这一点仔细研究一下。火焰烧热灯罩里面的那个空气柱,比它烧热灯的四周的空气要快得多。空气热了以后就变轻,就被经过灯孔从下面来的、还没有热的比较重的空气推向上面。这样一来,空气就不断地从下向上流动;这种流动会不断地带走燃烧生成的产物,并且带来新鲜空气。灯罩越高,热空气柱和冷空气柱在重量上的差数就越大,于是新鲜空气也就更有力地流入灯罩,使燃烧进行得更快。这里所发生的一切同工厂的高烟囱里所发生的完全是一回事。所以这些烟囱也要做得很高。

  有趣的是,达·芬奇(14521519)对于这种现象作过研究,他的笔记里有这样一句话:“有火的地方,在它的周围就会形成气流;这种气流能够帮助燃烧,加强燃烧。”

  为什么火焰自己不会熄灭?

  如果你好好地想一想燃烧过程,你自然而然会产生一个问题:为什么火焰自己不会熄灭?我们知道,燃烧生成的产物二氧化碳和水蒸气都是不能燃烧的物质。所以火焰从一开始燃烧起,就会被不能助燃的物质包围住,这阻碍了它同空气接近。没有空气,燃烧就不能持久,也就是火焰会熄灭。

  那末为什么这种事情不发生呢?为什么在燃料没有烧完的时候,燃烧过程会不间断地持续下去呢?

  唯一的原因就是气体热了以后会膨胀,因而会变得更轻。只是因为这一点,热的燃烧生成的产物就不能留在它形成的地方,或直接靠近火焰的地方,而要很快地被新鲜的空气排到上面去。假如阿基米德原理在气体上不适用(或者说,假如没有重力),那末无论什么样的火焰都不能燃烧很久,而会自己熄灭的。

  火焰燃烧生成的产物,对于火焰的有害的影响是极容易看出来的。你自己就常常在不知不觉中利用它来熄灭灯里的火焰。想一想你是用什么方法来吹灭煤油灯的吧。你是在灯罩上面吹它的,那就是说,你在把燃烧生成的不能助燃的产物赶向下面,赶到火焰上去。这样,火焰就因为得不到充足的空气熄灭了。

  儒勒·凡尔纳小说里漏写的一段

  儒勒·凡尔纳曾经详细地告诉了我们那三位勇敢的人在奔赴月球的炮弹车厢里是怎样度过时间的。可是他没有谈到米协尔·阿尔唐在这种非常的环境里是怎样完成他的炊事员的任务的。也许这位小说家认为在飞行炮弹里做烹调工作,没有什么东西值得描写。如果真是这样,那他就错了。原因是在飞行炮弹里面一切物体都变得没有重量了。儒勒·凡尔纳忽略了这一点。如果你同意在没有重量的厨房里做烹调工作这一情节是一个完全值得小说家来描写的题目,那你一定会惋惜这位《炮弹奔月记》的天才作家竟没有注意到这个题目。现在就让我试着把那篇小说里漏写的一段补充进去,并尽可能使读者读了以后能得到象儒勒·凡尔纳本人写的一样的效果。

  在读这一段文章的时候,读者们应该随时记住,在炮弹里面��前面已经说过��是没有重力的;里面所有的物件都是没有重量的。

  在没有重量的厨房里做早餐

  “朋友们,大家都还没有吃早点呢,”米协尔·阿尔唐向星际旅行途中的同伴们说,“虽然我们在炮弹车厢里失掉了重量,但是总不见得连食欲都失掉了吧。朋友们,我准备给你们做一顿没有重量的早餐。这份早餐里的菜一定是世界上所有做出来过的菜当中最轻的几道。”

  不等同伴们回答,这个法国人就动手工作起来。

  “我们的水瓶怎么竟好象是空了,”阿尔唐一面摆弄那个拔去了塞子的大水瓶,一面自言自语地抱怨着,“你骗不了我的:我知道你为什么这样轻……塞子已经拔掉了,快把你里面的没有重量的东西流到锅里去吧!”

  可是无论他怎样把瓶子放倒,水总是不流出来。

  “别费事了,亲爱的阿尔唐,”尼柯尔出来帮助他说,“你应当懂得,在我们这个没有重力的炮弹车厢里,水是流不出来的。你得把它从瓶里抖出来,象抖浓的糖酱一样。”

  阿尔唐略微想了一下,就用手掌在那个瓶口朝下的玻璃瓶底上拍了一下。却又奇怪,瓶口上立刻胀出了一个象拳头一样大的水球。

  “我们的水变成什么啦?”阿尔唐惊奇地说,“这简直是太出乎意料了!有学问的朋友们,请给我解释一下,这到底是怎么一回事?”

  “亲爱的阿尔唐,这就是水滴,简单的水滴。在没有重力的世界里,多大的水滴都会有的……你要记住,流体只有在重力的影响下,才会同容器的形状一样,才会成股地往外流。因为这里没有重力,所以流体就只受它自己里面的分子力支配,形成球的形状,象普拉图的有名实验里的油一样。”

  “我不懂什么普拉图和他的实验!我的职务是烧开水做汤。我敢发誓,什么分子力也不能阻止我!”这位法国人急躁地说。

  他开始用力把水倒在那在空中飞着的锅上面��可是好象所有的一切都商量好在反对他。一些很大的水球来到锅上以后,就很快沿着锅面滚了开来。事情并没有完:水又从锅的里壁越到外壁,顺着锅壁散开��于是很快这口锅就好象罩上了厚厚的一层水。在这种情况下要把水烧开自然是不可能的。

  “这是一个非常有趣的实验,它证明了内聚力是多么强大。”沉着的尼柯尔镇静地对怒气冲冲的阿尔唐说:“你不要激动,要知道这只是液体润湿固体的普通现象,不过在这里没有重力来阻止这种现象全力发展罢了。”

  “没有重力来阻止它,那真是该死!”阿尔唐反驳说,“不管它是不是液体润湿固体的现象,我的水总得在锅里煮,而不能在锅外煮。这真是新鲜事儿!在这样的条件下,无论哪一个厨师都无法做出汤来的!”

  “如果这种润湿现象妨碍你,你也可以用一个简单方法防止它,”巴尔比根站起来安慰他说,“在物体上面涂了即使薄薄的一层油,水就不能润湿它,这一点你还记得吧。你只要在锅的外面涂上一层油,就可以把水留在锅里了。”

  “好极了!这才是真正的学问,”阿尔唐一面照着做,一面高兴地说。然后他就开始在煤气炉上烧水。

  不料阿尔唐又遭到了反对。煤气炉也跟他开起玩笑来了:暗淡的火焰燃烧了半分钟以后,不知什么道理就熄灭了。

  阿尔唐在煤气炉旁边忙碌着,耐心地照看着火焰,可是白忙了一阵,火焰还是燃不久。

  “巴尔比根!尼柯尔!难道就没有办法叫这固执的火焰按照你们的物理学原理和煤气公司的章程燃烧起来吗?”这位垂头丧气的法国人向朋友们求救了。

  “可是这里也没有什么异常的意外事情,”尼柯尔解释道,“这火焰正是按照物理学的原理燃烧的。至于煤气公司……,我想,假如没有重力的话,它们早已破产了。你知道在燃烧的时候,会产生一些不能燃烧的气体:二氧化碳和水蒸气。通常这些燃烧生成的产物是不会逗留在紧靠火焰的地方的:因为它们是热的,因而也是比较轻的,所以会被四面流来的新鲜空气排到上面去。可是这里没有重力,因此燃烧生成的产物就逗留在它们产生的地方,在火焰周围形成一层不能燃烧的气体,阻止新鲜空气同火焰接近。就是这个缘故,火焰在这里会燃烧得这样暗淡,会熄得那样快。要知道灭火器的作用也是这样,用不能燃烧的气体来包围火焰。”

  “照你这样说,”阿尔唐插嘴说,“如果地球上没有了重力,那就不必要救火队了。失了火会自己熄灭,是不是?”

  “说得对,的确是这样。不过现在我们来帮助你,请你把火再点起来,然后向火焰里吹气。我相信,我们是能够用人工吹风法来使火焰象在地球上一样燃烧的。”

  于是就照这样做了。阿尔唐点着了火以后就动手做饭,同时好象有些幸灾乐祸地看着尼柯尔和巴尔比根两人轮流地吹火和扇火,让新鲜空气不断地流到火焰里去。在这位法国人的内心里,认为“这许多麻烦”全是他的朋友和他们的科学招来的。

  “你们这样吹风有些象在做工厂里的烟囱的工作,”阿尔唐带点讥诮的口吻说,“我非常可怜你们,我的科学家朋友,可是如果我们想吃一顿热的早餐,那就一定得服从你们的物理学的命令。”

  可是时间一刻钟、半小时、一小时过去了,锅里的水竟没有开的意思。

  “你得有些耐心,亲爱的阿尔唐。普通有重量的水开得很快,你懂得是什么缘故吗?那只是因为锅里的水在发生对流作用:底下的一层水热了就变轻,被冷水排向上面,结果全部的水就很快得到了高温度。你有没有做过从上面而不是从下面来烧水的事吗?这时候各层水就不会起对流作用,因为上层烧热了的水只能留在原处。水的传热作用是很小的;上层的水甚至已经达到沸点,下层水里可能还有没有融化的冰块。可是在我们这个没有重量的世界里,无论在哪一面烧水都一样:锅里不会发生水的对流,所以水应该热得非常慢。如果希望水热得快,你就应该不时搅拌水。”

  尼柯尔又告诉阿尔唐,不要把水烧到100度,而要烧到稍微低一些的温度。在100度的时侯会产生许多水蒸气,而水蒸气在这里同水的比重相同(都等于零),会混合一起,形成均匀的泡沫。

  接着豌豆又意外地捣起蛋来。当阿尔唐解开麻袋轻轻地用手扒了一下的时候,豌豆就向四周散开,开始在车厢里无休止地飘来飘去,碰到墙壁又弹了回来。这些飘着的豌豆差一点闯了一个大祸:尼柯尔在无意中吸进了一颗豆子,使他不断地咳嗽,几乎噎死。为了避免发生这种危险和澄清空气,我们的朋友们都热心地用网捕捉飞豆,这网是阿尔唐预先带在身边,准备到月球上去“采集月球上的蝴蝶标本”的。

  在这样的条件下,做饭真不容易。阿尔唐肯定说,就是最有本领的厨师到这里来,也是不会有办法的,这句话真不假。在煎牛排的时候,也忙乱了一大阵:得始终用叉子把牛肉叉住,不然的话,在牛排下面出现的油蒸气的压力会把牛排推出锅去,使没有熟的肉往“上面”��姑且使用这两个字,因为在这里是没有“上面”和“下面”的��飞。

  在这个没有重力的世界里,就是连吃饭这件事本身也变成一种奇怪的景象。朋友们用各种不同的姿势悬在空中,怪好看的,可是时时刻刻发生着彼此撞头的事情。坐下来当然是不可能的。象椅子、沙发、板凳之类的东西,在没有重力的世界里是完全没有用处的。其实桌子在这里也完全可以不用,要是阿尔唐不坚持一定要在“桌旁”吃饭的话。

  要烧熟肉汤已经不很容易,可是要喝肉汤比这还要困难。一开始要把没有重量的肉汤分别倒在几个盘子里,就怎样也不能成功。阿尔唐为了这件事几乎空忙了一个早晨,他忘记了肉汤是没有重量的,怀着烦恼的心情把锅底朝天翻过来,以便把固执的肉汤赶出锅外。结果,锅里却飞出了一个很大的球形水滴��丸子样的肉汤。这真需要阿尔唐显出魔术家的手段,才能十分困难地把这熟肉汤丸子再捉回来,放进锅里。

  试用羹匙来舀汤,也没有得到结果:肉汤把整个羹匙一直到手指全都打湿了,并且密实地盖在上面。于是把油涂在羹匙上,以便防止这种润湿现象。可是情况并没有好转:肉汤在羹匙里变成了小球,并且无论怎样也不能把这没有重量的丸子顺利地送进嘴里。

  最后还是尼柯尔想出一个办法,解决了这个问题:他用蜡纸做了些纸管,大家用蜡纸管吸肉汤,才算把它喝上了。我们的朋友们后来在旅途中,总是使用这种方法来喝水、喝酒和喝不论什么样的液体的

  为什么水会浇灭火?

  这个问题虽然很简单,但是常常有人把它答错,所以我们要在这里简短地讲一下,水对火究竟起了些什么作用,希望读者不要怪我多此一举。

  第一,水一触到炽热的物体,就会变成蒸汽,这时候它从炽热的物体上夺取了大量的热。从沸水转变成蒸汽所需要的热,相当于同量的冷水加热到摄氏100度所需要的热的五倍多。

  第二,这时候形成的蒸汽所占的体积,要比产生它的水的体积大好几百倍;这么多的蒸汽包围在燃烧的物体外面,就使得物体不可能和空气接触,而没有了空气,燃烧也就不能进行了。

  为了加强水的灭火力量,有时候还向水里加些火药!这看来似乎太奇怪了,可是这是完全有道理的:火药很快地烧完,同时产生大量不能燃烧的气体;这些气体会把燃烧着的物体包围起来,使燃烧发生困难。

  怎样用火来熄灭火?

  你也许听到过,最好的、有时也是唯一的跟森林或草原上的火灾作斗争的方法,是迎着大火的来向放火。新的火焰朝着猖獗的火海前进,消灭掉容易燃烧的物质,使大火失去燃料。两堵火墙遇在一起,就会立刻熄灭,好象彼此吞食掉了一样。

  美洲草原里发生大火的时候,人们就曾经使用过这种方法来扑灭大火。关于这件事的叙述,许多人一定在库帕所写的长篇小说《草原》里读到过。一位老猎人把一些被困在草原上的大火里快要被烧死的旅客拯救出来这一段动人的情节,难道我们会忘掉吗?下面就是从小说《草原》里摘录下来的几段。

  老人突然采取了断然的措施。

  “是行动的时刻了,”他说。

  “你想行动已经太迟了,可怜的老头子!”米德里顿叫道,“大火离开我们只有四分之一英里了,风又是用这样可怕的速度向我们这里吹!”

  “是吗!火,我也不怎么怕它。好,孩子们,别尽站着!现在马上动手割掉这一片干草,清出一块地面来。”

  在很短的时间里就清出了一块直径大约20英尺的地面。老猎人吩咐妇女们,说她们可以用被褥把自己那些容易着火的衣服盖起来,然后就领她们走到这块不大的空地的一边去。做了这些预防措施以后,老人就走到这块空地的另一边,那里大火已经象个高而危险的环墙,把旅客们包围了。他拿了一束非常干的草放在枪架上点起来。客易燃烧的干草立刻融融地烧着了。老人把烧着的干草扔到高树丛里,然后走到圈子中央,耐心地等待着自己行动的结果。

  他放的这一把火贪婪地扑向新的燃料,一会儿功夫草也烧着了。

  “现在你们可以看火怎样跟火作战了,”老人说。

  “这不是更危险了吗?”吃惊的米德里顿大声叫道,“你不但没有把敌人赶走,反而把它引到身边来了。”

  老人放的这把火越烧越大,同时向三方面蔓延开来。但是在第四方面却因为缺少燃料,熄灭了。随着火势的越来越大,在火前面出现的空地也越来越大了。这片刚出现的黑色发烟的空地,要比用镰刀割的草地光得多。他们刚才清除出来的这块地方就随着从其他几面包围着它的火焰而扩大开去,要不是这样的话,那避难者的处境是会变得很危险的。几分钟以后,各方面的火焰都后退了,只有烟还包围着人们,但是这对于人已经没有危险了,大火已经疯狂地向前面奔去了。

  旁边的人同斐迪南王的延臣们看哥伦布竖鸡蛋一样,是怀着惊异的心情看这个老猎人的简易灭火法的。

  但是这种跟草原和森林大火作斗争的方法,并不象初看的时候那样简单。只有极有经验的人才能利用迎火燃烧的方法来扑灭火,否则只会引起更大的灾祸。

  如果你想一想下面这个问题,你就会明白做这件事为什么需要有丰富的经验:为什么这个老猎人所放的火会迎着火烧去,而不朝相反的方向烧呢?要知道风是从大火那方面吹来,把火带到旅客身旁来的。似乎这位老人所放的火应当不迎着火海烧去,而要顺着草原后退。假如当时真是那样,旅客们就不可避免地会被包围在火圈里烧死了。

  那么这个老猎人到底有没有什么秘诀呢?

  秘诀就在普通的物理原理的知识里。风虽然是从燃烧着的草原那一方面向旅客们吹来的,可是在火前面离火很近的地方,应该有相反的气流朝着火焰吹。原因是火海上面的空气热了以后会变轻,并且被没有遭到火灾的草原上来的各方面的新鲜空气排向上面。由此可知,在火的边界附近一定会有迎着火焰流去的气流。必须在火焰接近得能觉察出已经有空气在向大火流去的时候才动手迎着火放火。这也就是为什么这位老猎人不急于动手,而沉着地等待着适宜的时机的缘故。如果他在这种气流还没有出现的时候过早地把草燃着,那末火就会朝相反的方向蔓延开来,使人们的处境格外危险。可是也不能动手太迟,这也会把人烧死的,因为火逼得太近了。

  能不能用沸水把水烧开?

  拿一个小瓶(普通小玻璃瓶或药瓶),在里面灌些水,把它放在一个搁在火上的清水锅里。为了使小瓶不碰着锅底,应该把小瓶挂在铁环上。当锅里的水沸腾的时候,似乎瓶里的水也会跟着沸腾。可是不论你等多久,也等不到这个结果:瓶里的水会热,会非常热,但是总不会沸腾。沸水好象没有足够的热把水烧沸似的。

  这种结果好象是出人意料的,可是它也是在意料之中的。为了把水烧沸,光是把它加热到摄氏100度是不够的,还必须再给它很大一部分热,使水从液态变成气态。

  纯水在摄氏100度的时候就沸腾。在普通条件下无论怎样对它再加热,它的温度不会再上升。这就是说,我们用来对瓶里的水加热的那个热源的温度既然只有100度,那它能使瓶里的水达到的温度也只有100度。这种温度的平衡一经来到,就不再会有更多的热量从锅里的水传到瓶里。

  因此,用这种方法来对瓶里的水加热,我们就不能使它得到转变成蒸汽所必需的那份额外的“潜热”(每一克摄氏100度的水还需要500卡以上的热才能转变成蒸汽)。这就是小瓶里的水无论怎样加热总不能沸腾的缘故。

  可能会发生这样一个问题:小瓶里的水和锅里的水有什么分别呢?要知道在小瓶里的也同样是水,只是同锅里的水隔着一层玻璃罢了,为什么瓶里的水就不能同锅里的水一样沸腾呢?

  就是因为这层玻璃阻碍着瓶里的水,使它不能同锅里的水一起对流。锅里的水的每一个分子都能直接跟灼热的锅底接触,而瓶里的水就只能同沸水接触。

  所以用沸的纯水来烧沸水是不可能的。可是如果向锅里撒一把盐,情况就不同了。盐水的沸点不是在摄氏100度,而是要略微高一些,因此,也就可以把玻璃瓶里的纯水烧沸了。

  能不能用雪来烧沸水?

  “如果说连用沸水来烧沸水都不行,那就更不必说用雪来烧了!”有的读者会这样回答。可是别先忙着回答,最好先做一个实验,哪怕就是用我们刚才用过的那种小玻璃瓶来做都可以。

  在瓶里装半瓶水,把它浸在沸腾的盐水锅里。等瓶里的水沸腾了,就把瓶子从锅里拿出来,很快地用预先准备好的很紧的塞子把瓶口塞住。现在请你把瓶子倒过来。等到瓶里的水不再沸腾,就用沸水来浇瓶子��这时候水不会再沸腾起来。可是如果你在瓶底上放一些雪,或者就象图86所画的那样用冷水来浇它,这时候你就可以看到水又在沸腾了……雪竟做了沸水所不能做到的事情!

  尤其叫人觉得莫名其妙的,是这个瓶子摸上去并不特别烫手,只是有些热罢了。可是你亲眼看到瓶里的水是在沸腾着啊!

  这里的秘密在于雪把瓶壁冷却了,因此瓶里的蒸汽就凝成水滴。又因为瓶在水锅里沸腾的时候,瓶里的空气已经被赶了出去,所以现在瓶里的水受到的压力要比以前小得多。我们知道当加在液体上的压力减少的时候,它的沸点也会降低的。因此在我们这个瓶里,虽然也是沸水,但是并不怎样烫手。

  如果瓶壁非常薄,那末瓶可能会因蒸汽的突然凝缩而发生某种类似爆炸的情况。外面空气的压力由于瓶里没有够大的反抗力把它抵住,能把瓶子压破(顺便说起,你可以看出在这里用“爆炸”这个名词是不很合适的)。所以最好用圆形烧瓶(瓶底凸出的烧瓶),以便让空气压在拱形底上。

  最安全还是用盛煤油或盛植物油的洋铁箱来做这个试验。用这种箱子烧沸一点水以后,把箱盖旋紧,再用冷水浇它。这时侯装满蒸汽的洋铁箱会被外面空气的压力压扁,因为箱里的蒸汽受冷以后已经变成水。洋铁箱会变形得象被重锤击过一样。

  “气压计汤”

  马克·吐温在他所写的《漫游国外记》里谈到他的一次在阿尔卑斯山上的旅行,里面的事实当然是臆造的:

  我们的不愉快算是完结了;所以人们又能够休息一下,而我也终于有可能去注意这次远征的科学方面的工作了。首先我想用气压计来测量一下我们所在地的高度。可是遗憾得很,竟没有得到任何结果。我从读过的科学书里知道,也许是温度计,也许是气压计,必须煮了以后才能指示出度数来。究竟是哪一个应当这样,我现在可说不准,所以决定把这两种仪器都拿来煮。

  然而还是得不到任何结果。我检查了这两件仪器,却发现它们都被煮坏了:气压计上只剩了一根铜指针,在温度计的盛水银的小球里,也只有一小点水银在晃动……

  我找到了另一个气压计,这是一个全新的、极好的仪器。我把它放在炊事员煮着豆羹的瓦罐里,煮沸了半小时。这却使我得到了意外的结果:仪器完全不再起作用了,而汤却有了气压计的强烈的滋味。我们那位炊事员是个很聪明的人,就把菜单上的汤名换了一个新名字。这道新的菜大家都很赞美,使我不能不每天叫人拿气压计去做汤。气压计当然是全都损坏了,可是我并不怎样可惜它。它既然不能帮助我确定高度,我还要它做什么呢?

  抛开里面的笑话不谈,让我们来回答一个问题:到底哪一个应该“煮”一下,是温度计还是气压计?

  是温度计。从以前做过的试验里我们看到,水面上的压力越小,水的沸点就越低。因为随着山的上升,大气压力减小了,所以水的沸点也就应当跟着降低。事实上,我们也查出了纯水在各种不同的大气压力下的沸点。

  沸点(摄氏) 气压

  101° 787.7毫米

  100° 760毫米

  98° 707毫米

  96° 657.5毫米

  94° 611毫米

  92° 567毫米

  90° 525.5毫米

  88° 487毫米

  86° 450毫米

  在瑞士的伯尔尼,平均的气压是713毫米,所以那里的水的沸点在开着的器皿里已经是摄氏98度;而欧洲的勃朗峰,气压是424毫米,沸水的温度就只有摄氏845度。每上升一公里,水的沸点要下降摄氏3度。所以我们如果测量出了水沸腾时候的温度(照马克·吐温的说法,就是如果我们把温度计“煮一下”),那末查一下相当的表,就可以知道这个地方的高度。为了这个,当然要预先准备好一张表,关于这一点,马克·吐温是“简直”忘记了。

  为这个目的用的仪器叫做测高温度计。这种仪器携带起来和金属气压计一样方便,可是它的精确度却比气压计高得多。

  气压计当然也可以用来测量一个地方的高度。它不必“煮沸”就能直接指出大气的压力:我们升得越高,气压就越小。可是这时候也得要有表来告诉我们,空气的压力是怎样随着海拔的高度而减小的,或者得知道有关的算式。所有这一切,我们这位幽默家好象都没有弄清楚,所以才闹出了煮“气压计汤”的笑话。

  沸水永远是烫的吗?

  勇敢的勤务兵宾·茹夫��凡是读过儒勒·凡尔纳的长篇小说《赫克特尔·雪尔瓦达克》的读者,一定都跟他很熟悉��坚决地认为,只要是沸水,那就无论什么时候什么地方,都是一样热。大概如果不是机会凑巧把他跟他的司令官雪尔瓦达克一起被抛到了……彗星上,那他就会一辈子这样想。这个行踪不定的彗星同地球相撞了,并且恰好把地球上这两位主人公所在的地方撞了下来,使他们不得不跟着彗星的椭圆形轨道前进。就在这时候,这位勤务兵第一次在自己的经验里看出,沸水并不是到处都是一样热的。这个发现是他在准备早餐的时候意外得到的。

  宾·茹夫把水倒进锅里,把锅放在炉子上。他等着水沸,以便把鸡蛋放进去。这些鸡蛋在他看来似乎是空的,因为它们很轻。

  不到两分钟,水已经沸了。

  “真见鬼!现在火是怎样烧的!”宾·茹夫高声说。

  “不是火烧得更旺了,”雪尔瓦达克想了一想答道,“是水沸得更快了。”

  于是他从墙壁上取下温度计,插在沸水里。

  温度计告诉他沸水只有摄氏66度。

  “啊!”军官叫道,“水竟不是在一百度沸腾,才到六十六度它就沸腾了!”

  “是吗?长官?……”

  “是的,宾·茹夫,现在你得把鸡蛋煮十五分钟才行。”

  “那它们不都硬了吗?”

  “不会硬的,老朋友,十五分钟刚够把它们煮熟。”

  这种现象的原因,显然是大气的高度已经减小,地面上的空气柱大约已经缩短了四分之三。水在这样小的气压下,当然不到100度,到66度就沸腾了。同样的现象在高度达到11000米的山上大概也会出现。假如这位军官身边有一个气压计,它一定会把气压降低的情况告诉他。

  对于这两位主人公所见的现象,我们倒不必去怀疑:他们说水在66度就沸腾了,我们可以把它当做事实。可是我们十分怀疑,他们生活在这样稀薄的大气里,怎样会还觉得很好过。

  《雪尔瓦达克》的作者说,类似的现象也可以在11000米的高处看到,这是完全正确的。在那里,一算就可以算出,水的沸点的确应当是摄氏66度。不过在这种地方,空气的压力应当等于高190毫米的水银柱��恰好是正常气压的四分之一。在稀薄到这种程度的空气里,呼吸差不多已经不可能了!因为这样的高度已经是在平流层里了!我们知道,不带氧气面具飞到这种高度的飞行员,会因为空气不够而失掉知觉,而雪尔瓦达克和他的勤务兵竟觉得还可以过去。好在雪尔瓦达克手里没有气压计,否则小说家也许还要强迫这个仪器不照物理学原理报告气压哩。

  假如这两位主人公不是落在这个幻想的彗星上,而是落到了大气压力不到6070毫米的火星上,那他们的沸水还要凉些��只有摄氏45度。

  相反的,在气压比地面高得多的深矿井的底部,却可以得到十分热的沸水。在深达300米的矿井里,水要到101度才沸腾,在深达600米的深处是102度。

  蒸汽机的锅炉里的水也是在极高的压力下沸腾的,所以它的沸点也极高。例如在14个大气压下,水的沸点是摄氏200度。反过来,在空气泵的罩子底下,可以使水在普通的室温里剧烈地沸腾起来。那就是说,我们在摄氏20度的时候就能够得到沸水。

  烫手的冰

  刚才我们谈过了凉的沸水。还有一种更奇怪的东西:热冰。我们习惯上认为,水的固体状态不能在零度以上存在。可是物理学家布里治曼的研究告诉我们却不是这样:在极高的压力下,水能够在比零度高得多的温度里变成固体,并且保持固体状态。布里治曼又指出,冰不止有一种,而有好几种。有一种他叫它做“第五种冰”的冰,是在20600个大气压下得到的,它在摄氏76度的温度里还能保持着固体状态。它可能会烫坏我们的手指,假如我们能够摸到它的话。可是我们没有可能跟它接触,因为“第五种冰”是在最好的钢制成的厚壁容器里用极强的压力机加上极大的压力才制成的。所以我们不能看到它或用手拿它。我们只能用间接的方法来知道这种“热冰”的性质。

  说来很有趣,“热冰”的密度比普通冰高,甚至比水高:它的比重是1.05。它在水里应该会下沉,而不象普通冰那样会浮在水面上。

  用煤来取冷

  煤是用来取暖的,但是用它来取冷也不是什么不可能的事。在一种叫做“干冰”的制造厂里,每天都在用煤取冷。在这种工厂里,人们把煤放在锅炉里燃烧,然后把得到的烟道气炼净,并且用碱性溶液吸收里面所含的二氧化碳气。再用加热的方法把纯净的二氧化碳气从碱性溶液里析出来,放在70个大气压下冷却和压缩,使它变成液体。这液体的二氧化碳就装在厚壁的筒子里,送到汽水工厂和其他需要它的工厂里去使用。它的温度已经低到可以使土壤冻冰。在建筑莫斯科地下铁道的时候,就曾经利用它做过这个工作。可是有许多地方还得使用固体二氧化碳,固体二氧化碳就叫干冰。

  干冰,就是固体的二氧化碳,是让液体二氧化碳在低压下迅速蒸发而制成的。一块块的干冰,就外形看来,与其说它象冰,不如说它象压紧的雪。一般说来,它在许多方面都和冰有分别。二氧化碳的冰比普通冰重,在水里会下沉。它的温度虽然非常低(摄氏零下78度),可是你如果小心地拿一块放在手里,你的手指却觉不出它冷:当我们身体和它接触的时候,它就产生二氧化碳气,保护你的皮肤不受冷。只有在紧紧握住干冰块的时候,我们的手指才会有冻伤的危险。

  “干冰”这个名称非常能说明这种冰的主要物理性质。它自己无论在什么时候都不会湿,同时也不会润湿周围任何东西。受了热它立刻变成气体,并不经过液体状态:二氧化碳是不能在一个大气压下存在有液体状态的。

  干冰的这一特性和它的十分低的温度结合在一起,就使它在实用上变成了没有别的东西可以替代的冷却物质。用二氧化碳的冰来冷藏食物,不但不会潮,并且还因为形成的二氧化碳气有抑制微生物生长的能力,保护食物不腐败,因此在食品上不会出现霉菌和细菌。昆虫和啮齿类动物也不能在这种气体里生活。最后,二氧化碳气还是一种可靠的防火剂:把几块干冰抛在燃烧着的汽油里,就能使火熄灭。干冰在工业和日常生活里都有广大的用途。

  “饮水小鸭”

  有一种中国的儿童玩具,谁见了都觉得奇怪。它的名字叫“饮水小鸭”。把这小鸭放在一杯水前面,小鸭就会俯下身去把嘴浸到怀里,“喝”完一口水,又直立起来。可是直立一会儿,又会慢慢俯下身去,等到鸭嘴够到了水,“喝”了一口,又会直立起来。这种玩具是“不花钱”的发动机的一个典型。它的活动的机构是很巧妙的,请看图89,小鸭的“身体”是一根玻璃管,管的上端是一个小球,做成鸭头的样子,连着扁嘴。管的下端连一个较大的玻璃球,也是密封的。球里面装有液体,玻璃管下端浸没在液面下。

  要使小鸭能够活动,必须用水打湿鸭头。鸭头打湿以后,有一段时间小鸭还能保持直立的姿势,因为下端的玻璃球和里面的液体比鸭头重。现在看它会发生什么变化。我们看到液体开始沿着玻璃管上升(图90)。当液面升到玻璃管上口的时候,上部就变得比下部重,于是小鸭就嘴向前把身子俯到杯子上。当小鸭的身子俯到水平位置的时候,下端玻璃管的开口就会露出液面来,玻璃管里的液体也就流回下端的大玻璃球。于是小鸭的“尾部”又变得比头部重,使小鸭恢复直立的位置。现在我们明白了这个问题的力学方面的作用:液体的升降改变了重力的分布情况,简单地说,就是改变了重心。可是使液体上升的,又是什么力量呢?

  小鸭内部的液体是醚。醚在室温里很容易蒸发,而醚的饱和蒸气所产生的压力又会随温度的改变而剧烈改变。

  在小鸭直立着的时候,可以看出有两个独立的醚蒸气区域:一个在头部,一个在尾部。

  鸭子的头部有一种奇妙的性能:只要用水把它打湿,那里的温度就会变得比周围温度稍微低一些。要做到这一点也不困难,只要把鸭头的表面用善于吸水又容易让水分蒸发的多孔材料来做就成了。水分剧烈蒸发的时候,鸭头上的温度会变得比下面玻璃管和大玻璃球里的温度低。这又转过来会使头部那个小玻璃球里的饱和蒸气冷凝,压力也就随着降低。于是下部那个大玻璃球里的比较大的压力就会挤压液体,使它顺着玻璃管上升。重心移动位置了,小鸭就慢慢俯下身子一直到水平的位置。在这个位置里,有两个过程各自独立地进行着。第一,小鸭的嘴浸了一下水,这样就又把自己头上的棉套子打湿。第二,上下两部分的饱和蒸气混合了,压力也变得一样了(由于吸收了周围空气的热量,蒸气的温度略有上升),同时玻璃管里的液体,也在本身的重量作用下流入下端的大玻璃球。于是小鸭又直立了起来。

  这个玩具会不断地自动活动下去,只要让它头上的棉套子继续被打湿,而周围空气的湿度又不太大,能够保证正常的蒸发,也就是保证头部的温度能够相对地降低。这样看来,小鸭头部的水不断蒸发所吸取的周围空气的热量,就是使这种奇妙的小鸭能够活动的原动力。这种小鸭是“不花钱”的发动机的一个极其明显的例子,但它并不是什么“永动机”。