书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第15章 热中的怪异现象(4)

空气的相对湿度越大,含的水蒸气越多,就越容易饱和,形成的云比较低而浓厚,使人有黑云压顶的感觉。反之,空气干燥,相对湿度小,就不易饱和,形成的云比较高且稀薄,有天高云淡之感。如果空气干燥得达不到饱和,就不会形成云。无怪乎在沙漠地区,经常是万里无云哩。

(三)

早晨下雾时较暖和是怎么回事?这是由于水蒸气液化成雾滴时会放出大量热的缘故。这和液体汽化吸热恰好是相反的过程。

云是雨的娘

农谚说:“云是雨的娘”。但是天空乌云密布并不一定会下雨,往往乌云顶上出现薄丝绵状的白云之后,大雨才倾盆而下。这是什么道理呢?

原来云有两类,由0℃以上液化而成的小水滴组成的云叫做暖云,这是一种低而浓厚的乌云;由0℃以下凝华而成的小冰晶和过冷水滴组成的云叫做冷云,常呈绢丝状,乳白色。

“云是雨的娘”,但是要云孕育出滂沱大雨或者鹅毛大雪,必须先使小水滴和小冰晶“婚配成亲”,使其不断增大体积和重量。这大致有两种方式:一种是小水滴和小冰晶随着气流的升降,彼此碰撞、合并,成为比较大的水滴或者冰晶。另一种是水蒸气分子从小水滴不断地向小冰晶扩散,扩散的结果,最后小水滴消失,小冰晶的体积和重量越来越大,成为小雪花。雪花再吸收水蒸气,逐渐变大,当大到空气的浮力托不住时,便纷纷落下。

如果下面空气的温度高于0℃,雪花落下来就溶化成水滴,落到地面就是雨;如果下面空气的温度低于0℃,雪花就一直落到地面上。

明白了上述道理,就可以判断是否会下雨了。有时尽管天空乌云低垂,却没有降雨,这是因为乌云里只有小水滴,没有冰晶。一旦乌云顶上出现丝丝白云,说明已经有了小冰晶,可能很快就下雨了。

人们同干旱作斗争的重要手段之一是人工降雨,它的道理也是这样的。当用飞机或者火箭把干冰撒入只有小水滴的云中,使水滴降温而形成大量的小冰晶,由此便具备了下雨的条件。

三十五、你能把冰块切断吗?

(一)

你能相信吗,用铁丝不但能切开豆腐、肥皂之类的软东西,也能切割冰块?不过只能切过,但不能切断。这种说法,怀疑者有之,反对者亦有之。“既然是切过,为什么不能切断呢?”“冰那么硬,用铁丝根本就切不动。”众说纷纭,莫衷一是。还是让我们通过实验来作证吧。

把一大块冰,用凳子架起来。然后用细铁丝绕过冰块,两头拧在一起,下面挂一个重物。过一段时间,只见重物拉着铁丝圈慢慢地向下运动,从冰块中切过,直到从下面脱出。令人奇怪的是,冰块真的没有被截成两段,切口处完好无损,在事实面前,大家面面相觑,目瞪口呆。但是为何切而不断呢?

(二)

这个实验引起了小周和小张的浓厚兴趣。面对实验,机灵的小周抢着说:“我看奥妙就在于挂了重物,铁丝下面的冰受到的压强增大了。我记得有本书上说,固体的熔点随压强增大而升高。”

“什么?冰的熔点是0℃。现在的气温是1℃,可是冰熔解了,这不是熔点降低了吗!”小张反驳道。

“那就是压强增大熔点降低呗。”小周赶忙补充道。

其实,小周两次说的都对,问题是没有具体指明是对哪种晶体。凡是熔解时体积膨胀的物质,熔点随着压强的增大而升高,绝大部分晶体都是这样;凡是熔解时体积缩小的物质,其熔点便随着压强的增大而降低,冰、灰口铁等就属于此类。实验表明,冰所承受的压强每增加1个大气压,它的熔点大约下降0.0075℃。铁丝能够切冰而过,确实是铁丝上挂的重物起了作用,使铁丝下面的冰的熔点降低了。

“噢,原来冰能被切是由于压强增大,熔点降低的缘故。那么,为什么冰块切而不断呢?”小张不解地问。

“这很容易解释,铁丝向下切冰,上面的水又处于大气压下,而且气温低于0℃,于是又重新结成了冰,而把被切开的冰块重新连接起来。”小周对此进一步作了说明。

(三)

冰的熔点随压强增大而降低的现象,只要细心观察并不难发现。比如滑冰者的冰刀在冰面上划过时,也能切开冰面,使刀口下面的冰融化成水。正是有了这层水的润滑,滑冰者才能滑溜如飞,其动作是很矫健而优美的。如果滑冰人的体重是60千克,冰刀的刃部同冰面的接触面积是5mm2,刀刃对冰的压强约为1200大气压那么在这个压强的作用下,冰的熔点会降低到—10℃。当然,如果气温比这个温度还低,冰刀下的冰很难融化,滑冰就很困难了,经常滑冰的人都有这个经验。

滚雪球是北方寒冷地区的小朋友经常爱玩的游戏。雪花本身并不潮湿,彼此也没有黏附作用,纷纷扬扬,漫天飞舞。但是,雪球为什么会越滚越大呢?这还是由于冰雪的融点随着压强的增大而降低的缘故。雪球不断地滚着、压着,被压的雪就熔化成水。因为气温在0℃以下,水又马上结成冰,使雪球被包在一层薄薄的冰壳里面,因此雪球就越滚越大了。

做雪球也是这个道理,在用手捏实时融化了一层雪,再结冰而成。当然气温很低时是做不成雪球的。

三十六、神奇的“冰力”

在严寒的北方,放在室外结实的水缸、坛子等,当里面的水结冰后,很容易把它们撑破,可见水结冰时会产生何等巨大的力啊!水凝成冰,体积比原来要胀大10%左右。因此,如果不许它膨胀,就会对限制它的物体施加很大的压力,此乃“冰力”也。

据实验,在1个瓶壳厚度是1厘米的铸铁瓶里灌满水,密封以后投入到温度很低的制冷剂中,由于水结冰体积骤然膨胀而产生的“冰力”竟使铸铁瓶胀裂了!无怪乎,我国的东北一带,汽车、拖拉机等机械的水箱冬天要放掉存水,自来水管要深深地埋在地下,否则“冰力”就要大显威风,那是很危险的。

“冰力”如同其他事物一样,有弊也有利。比如流入岩石缝里的水结了冰,可以把岩石劈开,并促使岩石进一步地风化。土壤中的水分结成冰,体积膨胀,这些硬土块,你推我挤,地面变得高低不平。待到大地回春,化冻之后,土壤里就出现了很多空隙,显得格外疏松。

人们爱吃的冻豆腐,也是根据这个道理制成的。这是由于豆腐里有很多水分,储存在豆腐中的无数小孔内。水结冰以后体积变大,各个小孔互相挤压,使豆腐变成网格状。当冰融化时,被压缩的豆腐网格不能恢复原状,因此在冻豆腐里便有许多蜂窝状的小孔。

三十七、晶莹剔透的树挂

在有雾的隆冬季节的早晨,树木往往被银装素裹,在阳光下亮亮晶晶,妖娆妩媚,煞是美丽动人。这就是人们常说的树挂,它的结构较松,是由水蒸气凝华而成的冰晶颗粒。不过,美景不长,它最怕长久地见太阳,天一暖和,便噼噼啪啪地掉下来。

有时还会下一种奇怪的冻雨,在天空中降落的是雨滴,但落到地面上却是冰粒。冻雨落在树枝、电线上便马上结成一层晶莹透亮的冰层,慢慢地挂下来,形成一条条冰柱。于是大街小巷变成了冰的世界,宛如座座冰帘洞。

那么,树挂和冻雨各是怎样形成的呢?原来,水结冰,除了温度这一条件外,还要求水里有冻结核,像尘埃颗粒等等。在云层中已经发现有温度为-30℃的水滴,即对于非常纯净的水,温度降到零下几十摄氏度也还不结冰。有的科学家做过实验,把高纯度的水静置冷却到—70℃,还没有冻结。这种远低于冰点还没有冻结的水,叫做过冷却水。普通的水里,都含有不溶于水的杂质,也就是存在冻结核,所以到0℃就开始结冰了。对于过冷却水,只要在里面放入少许的冰屑或者其他杂物屑粒,于是水分子就有了结晶的核心,便立刻冻结成冰。树挂和冻雨就是过冷却的雾和水,落在温度较低的物体上冻结而成的。

三十八、纸锅能烧水吗?

锅一般是用铁或铝制成的,用纸来做锅烧水、煮蛋,有人一定会认为这简直是不可思议的事情。好啦,让我们还是先来做个实验吧。用厚纸做一只锅,然后装上水并生火烧起来,不一会儿纸锅里的水果然被烧开了。周围原先怀疑的人,顿时也像沸腾的水似的议论开了,人人惊呼,真是奇迹啊!