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,记为一27315c。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,最冷的地方可达一89c。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。冻原的细菌可以在一150c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c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一20c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c海豹c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c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c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c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c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c长江流域c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c甘肃张掖c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c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c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,阴影的地方温度为一100c。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c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c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c固态体积大于液体c4c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。