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    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:0.2个大气压,60c,0.5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,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0.1c,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0.3c.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0.1c。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0.3c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4.4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-273.15c,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。

    梅乐芝经理的科普文章(六)

    第6节力与惯性

    前面几节,介绍了不同的力。力总是作用在某物体上,为了衡量力对物体的作用关系,需要对力的大小进行度量。而进行度量,则需要制定标准。前面我们给出了长度,温度的标准。现在要给出力的标准,但力是依附并作用在物体上,所以先要制定物体的标准,即物体如何体现自身存在的标准。

    对象在外因作用下,发生某些状态变化。对象体现自身存在的标准,就要体现抵抗外因的能力。那么定义对象的标准,就必须能衡量在外因作用下,对象保持原状态的能力大小。换而言之,与原状态相似程度大小。总之是衡量对象维持原状态的能力。现在我们把这个标准,称为惯性。

    我们看到,惯性定义是泛定义,并没有具体到某个特定对象。而惯性是和外因一同出现的,不存在没有外因对应的惯性。这样就建立外因与惯性的固定结合,这种结合可以称为模式。只要在使用前作出说明,你也可以命名结合为任意想到的名字。实际中,我们总是直接定义好惯性,其中蕴含着对应的外因。
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