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第4章 热的影响

1.城市风——热岛

热岛就是一个地区(主要是指城市)由于人口稠密、工业集中造成温度高于周围地区的现象。

城市温度的分布一般是工商业和人口集中的市中心区温度最高,随着与市中心距离的增加,温度逐渐下降。到了城市郊区,温度于是和周围的农村相近。

热岛现象可以造成局部地区的气候异常。最明显的就是可以造成一个城市的温度升高,空气上升,郊区农村的冷空气就流入城市。这样形成城乡间的空气热对流,这种热对流在夜晚的时候较为突出,被称为“城市风”。城市风就是我们所说的“热岛效应”。

2.尽情飞翔——热气球运动

热气球运动就是指驾驶气球升空飞行的一种运动。这种运动在欧洲和北美洲等地区十分盛行。

热气球是由法国人发明的,在18世纪末,两个法国造纸商兄弟开始着手实验热气气球。在1783年6月,他们兄弟俩在法国昂纳内升起了一个直径为11米的充烟气球。随后到了20世纪50年代后期,出现了燃烧丙烷的热空气气球,随后热气球运动得到广泛发展。

热气球球体是由涤纶织物缝制而成,下部有充气口,顶部有可用绳索操纵的圆形天窗。球体下方用绳索吊上一个藤制载人吊篮,这个吊篮一般可以容纳3~4人。在球体和吊篮之间有充热气装置。

在使用热气球的时候要先用电风扇向气球充气,使得气球鼓起来,然后将用氮气气化的液化石油气通过喷嘴燃烧喷入气球,使得气球内的空气变热,从而产生浮力而慢慢升入空中。气球在升空后,会随风而飘行。另外你也可以通过不同高度的不同气流来控制和调节方向和速度。如果让热气球降落的话就可以停止对气球的加热,使热气冷却,并用绳索拉开天窗,散发热气。

热气球可以飞得很高,在空中的高度可以达到8000米左右,但是我们生活中的体育和游乐活动则多在30~50米的低空进行。现代的气球运动竞赛项目包括升高高度、定点着陆、远距离飞行和续航时间的比赛。

3.“害群之马”——热污染

我们听说过水污染、环境污染,唯独对于热污染很陌生,那么什么是热污染呢?热污染就是指现代工业生产和生活中排放的废热所造成的环境污染。热污染可以污染大气和水体。例如火力发电厂、核电站和钢铁厂等的冷却系统排出的热水,以及石油、化工、造纸等工厂排出的生产性废水中都含有大量废热。这些废热排入地面水体之后,能使水温升高。造成地球的温度越来越高。

其实热污染最先受害的就是水生物,由于水温升高,水中溶解氧减少,所以水体处于缺氧状态。污染又使水生生物代谢率增高而需要更多的氧,造成一些水生生物在热效力作用下发育受阻或死亡,从而影响到了环境和生态的平衡。

另外,河水水温的升高给一些致病的微生物提供了一个滋生温床,使它们得以滋生、泛滥,引起流行性疾病,对人类的健康产生很大的危害。1965年澳大利亚曾流行过一种脑膜炎,后经科学家证实,其祸根是由于发电厂排出的热水使河水温度增高,致病细菌在温水中大量繁衍,造成水源污染而引起了这次脑膜炎的流行。

4.“随处走走”——热传递

在我们生活中,处处都存在着热传递现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差,就会有热传递现象发生,并且将一直持续到温度相同为止。简单来说热从温度高的物体传到温度低的物体,或者从物体的高温部分传到低温部分,这种现象叫做热传递。

发生热传递的唯一条件且最重要的条件就是存在温度差,在热传递的过程中与物体的状态、物体间是否接触都没有关系。热传递的结果是温差消失,即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。

在热传递过程中,物质并没有发生迁移,只是高温物体放出热量,温度降低,内能减少(确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小)。低温物体吸收热量,温度升高,内能增加。因此,热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移的过程,这是能量转移的一种方式。

一般来说热传递有三种方式:传导、对流和辐射。

传导是热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分,热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生。各种物质都能够传导热,但是不同物质的传热本领不同。善于传热的物质叫做热的良导体,不善于传热的物质叫做热的不良导体。各种金属都是热的良导体,其中最善于传热的是银,其次是铜和铝。瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。在液体中,除了水银以外,其他都不善于传热,气体比液体更不善于传热。

对流是靠液体或气体的流动来传热的方式。同时液体和气体中热传递的主要方式也是对流,只是气体的对流现象比液体更明显。如果我们要利用对流加热或降温,必须同时满足两个条件:一是物质可以流动,二是加热方式必须能促使物质流动。

热由物体沿直线向外射出,叫做辐射。用辐射方式传递热,不需要任何介质,因此,辐射可以在真空中进行。地球上得到的太阳热,就是太阳通过辐射的方式传递的。

一般情况下,热传递的三种方式往往是同时进行的。

5.姆潘巴现象

你听说过姆潘巴现象吗?如果听说过,你对这一现象的出现又有何感想呢?

姆潘巴现象,又叫姆佩姆巴效应,主要是指在同等体积、同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。

其实这种现象在亚里士多德、培根和笛卡尔的笔下曾以不同的方式描述过,但是都没有引起社会各界广泛的注意。直到1963年,坦桑尼亚的马干巴中学三年级的学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中,他们总是先把生牛奶煮沸,加入糖,等冷却后倒入冰格中,再放进冰箱冷冻。有一天,当姆潘巴做冰淇淋时,冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位,姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸,放入糖,等不及冷却,就把滚烫的牛奶倒入冰格中,并放入冰箱。

过了一个半小时,姆潘巴打开冰箱的时候发现了一个让他十分困惑的现象:他放入的热牛奶已经结成冰,而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说,水温越低,结冰的速度越快,而牛奶中含有大量的水,应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对,但事实怎么会颠倒过来了?姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师,都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐,就用嘲讽的口吻说:你说的这些就叫做姆潘巴现象吧!但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐,他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任奥斯波恩博士到他们学校访问的机会,又提出了自己的疑问。这位博士对他的问题并没有像前一位老师那样嘲笑他。回到实验室后,博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验,结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是,他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。1969年,他和丹尼斯·奥斯伯恩博士共同撰写了关于此现象的一篇论文,因此该现象便以姆潘巴的名字命名。

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