书城童书物理知识知道点:热学大探秘
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第21章 厨房里的热学现象

在厨房里做饭炒菜,我们在屋外也能闻到饭菜的香味。更有意思的是,有时候锅里的油才烧热,厨房外面的人就闻到了油香。

香味是怎么被人闻到的呢?因为在烹调的过程中,饭菜的分子有一部分被蒸发到空气中,并且渐渐地向四面八方运动,当它们钻进我们的鼻孔时,我们就闻到香味了。这个过程是扩散现象。正是气体的扩散作用帮助人们闻到了各种气味。

气体分子很小很小,我们用眼睛不能直接看见它们。但是,这些分子的运动是能够间接地观察到的。在太阳光底下,我们可以看到许多尘埃在空气中飘来飘去,上下飞舞,就是尘埃受运动着的气体分子碰撞的结果。气体分子的运动是无规则的,互相之间不断地碰撞,不断地改变运动的方向。因为气体分子之间距离比较大,互相撞碰的机会少,所以它们很容易离散开来。有些气体的分子运动得很快,拿氢气来说,它的分子跑得比子弹头的速度还要快上几倍呢。正是这个缘故,气体物质的体积,如果不受外界的约束,就会不断膨胀扩大,扩散开来。

扩散现象不单气体里有,液体里也有。做汤的时候,滴进几滴酱油,即使不搅拌,整个汤里也会逐渐均匀地染上酱油的色泽,并富有酱油的美味。这就是酱油在汤里扩散的结果。

扩散的墨水固体之间也有扩散现象。有人曾经做过这样的实验:把一块铅片和一块金片,分别磨光,压在一起,在室温下(20℃)放置5年,金片和铅片便连在一块,它们互相混合的深度约一厘米。我们知道,在室温下,金和铅是不会熔解的,但是它们的接触面竟生成了一层均匀的铅金合金,这就是扩散作用在固体中玩的把戏。

扩散现象生动地证明,无论是哪一种形态的物质,它们的分子无时无刻不在运动,当它们互相接触的时候,彼此就要扩散到对方当中去。随着温度的升高,分子无规则运动的速度增大,扩散也加快。

开水不响,响水不开

相信用壶烧过水的人都知道当水还没有烧开时会发出“嗡嗡”的响声,而当水沸腾的时候这种响声就会消失。这其中的原因是什么呢?

我们知道,水中能溶有少量空气,容器壁的表面小空穴中也吸附着空气。水对空气的溶解度及器壁对空气的吸附量随温度的升高而减少,当水被加热时,气泡首先在受热面的器壁上生成。

气泡生成之后,由于水继续被加热,在受热面附近形成过热水层,它将不断地向小气泡内蒸发水蒸气,使泡内的压强(空气压与蒸汽压之和)不断增大,结果使气泡的体积不断膨胀,气泡所受的浮力也随之增大,当气泡所受的浮力大于气泡与壁间的附着力时,气泡便离开器壁开始上浮。

在沸腾前,水层的温度不同,受热面附近水层的温度较高,水面附近的温度较低。气泡在上升过程中不仅泡内空气压强随水温的降低而降低,泡内有一部分水蒸气凝结成饱和蒸汽,压强亦在减小,而外界压强基本不变,此时,泡外压强大于内压强,于是,上浮的气泡在上升过程中体积将缩小,当水温接近沸点时,有大量的气泡涌现,接连不断地上升,并迅速地由大变小,使水剧烈振荡,产生“嗡嗡”的响声,这就是“响水不开”的道理。

对水继续加热,由于对流和气泡不断地将热能带至中、上层,使整个容器的水温趋于一致,此时,气泡脱离器壁上浮,其内部的饱和水蒸气将不会凝结,饱和蒸汽压趋于一个稳定值。气泡在上浮过程中,液体对气泡的静压强随着水的深度变小而减小,因此气泡壁所受的外压强与其内压强相比也在逐渐减小,气泡液—气分界面上的力学平衡遭破坏,气泡迅速膨胀,加速上浮,直至水面释出蒸汽和空气,水开始沸腾了。也就是人们常说的“水开了”,由于此时气泡上升至水面破裂,对水的振荡减弱,几乎听不到“嗡嗡”声,这就是“开水不响”的原因。

多孔的冻豆腐

豆腐本来是光滑细嫩的,冰冻以后,它的模样为什么会变得像泡沫塑料呢?

豆腐的内部有无数的小孔,这些小孔大小不一,有的互相连通,有的闭合成一个个小“容器”,这些小孔里面都充满了水分。我们知道,水有一种奇异的特性:在4℃时,它的密度最大,体积最小;到0℃时,结成了冰,它的体积不是缩小而是胀大了,比常温时水的体积要大10%左右。当豆腐的温度降到0℃以下时,里面的水分结成冰,原来的小孔便被冰撑大了,整块豆腐就被挤压成网络形状。等到冰融化成水从豆腐里跑掉以后,就留下了数不清的孔洞,使豆腐变得像泡沫塑料一样。冻豆腐经过烹调,这些孔洞里都灌进了汤汁,吃起来不但富有弹性,而且味道也格外鲜美可口。

很早以前,我国人民就已经懂得了冰冻膨胀的原理,并利用它来开采石头:冬天,他们在岩石缝里灌满水,让水结冰膨大,把巨大的山石撑得四分五裂,很快就能采到大量的石料。

工业生产上出现了一种巧妙的新工艺——“冰冻成型”,也是冰冻膨胀原理的应用。办法是:根据零件的形状,用强度很大的金属,做一个凹形的阴模和一个凸形的阳模,把要加工的金属板放在两个模的中间,在阳模和密闭的外壳之间,灌满4℃左右的水,然后把这个装置冷却到0℃以下。这时,由于水结冰,体积膨胀,所产生的巨大力量把阳模压向阴模,便把金属板压成一定形状的部件了。

由于水在4℃时的密度最大,体积最小,水温低于4℃时体积反而增大,所以,在4℃时水就不再上下对流了。因此,到了冬季,寒冷地区的江河湖海,表面上虽然结了厚厚的冰层,但下面水的温度却保持在4℃左右,这就给水生物创造了生存的环境。

暄松的馒头

暄松的馒头馒头,是我国人民的主要食品之一。制作馒头的关键是发酵。酵母菌可以使面团的淀粉发生化学变化,生成糖、醇和酸等,并且放出二氧化碳气。但是,加热方法如果不适当,比如直接放在锅上烙,由于受热不均匀,只能变成皮硬内软的“烤饼”;要想得到暄松的馒头,必须请高温蒸汽来帮忙。当人们把揉好的生馒头放进蒸笼以后,高温蒸汽很快把馒头包围起来,从四周给馒头均匀地加热。馒头里面的二氧化碳受热膨胀,可是又不容易冒出来,只能在里面钻来钻去,于是便胀出许许多多小空泡,使馒头又松又暄。如果在面里放些糖,发酵充分,蒸汽温度高,供汽又猛,就可以蒸出表面开裂的“开花”馒头。这样的馒头,富有弹性,吃起来香甜可口。

在蒸馒头的过程中,我们是用高温水蒸气作为介质来给馒头加热的。在日常生活中,利用介质加热的例子很多,例如做饭炒菜要加水,炒板栗、花生和豆子要用细沙。水和细沙也是常用的传热介质。

气体受热膨胀也往往会给人们带来麻烦。炎热的夏天,汽车轮胎和自行车轮胎有时会“放炮”,就是因为胎内气体受热膨胀,压强增大,大到一定程度,车胎就被胀破了。所以,热天给车胎充气不宜太多,要留有余地。

化冻柿子

在北方,冬天有冻柿子卖。冻柿子冻得硬邦邦,好像“冰疙瘩”,吃的时候,要用水把它化开。冰化开了,柿子也软了,吃起来甜美可口,别有一番风味。

化冻柿子人们化冻柿子的时候,是把冻柿子放在冷水里,而不是放在热水里,这是为什么?

同时,也请你想想,春节化冻鸡也是用冷水,道理与化冻柿子是不是一样?

首先要注意,冻柿子的温度不是0℃,而比0℃要低得多。

我们说水在0℃的时候要结冰,这是指纯水。如果是糖水、盐水,或是含有别的杂质,结冰的温度就低得多。你可以做一个实验,天冷的时候,你用两只同样大的碗,分别盛一点清水和糖水放在室外,就会看到清水先结冰,糖水后结冰,说明了糖水结冰的温度低。

柿子里糖分高,冻柿子的温度比0℃低,一般的冷水温度在10℃以上,用来化冻柿子,温度已经够高的了。

有人以为用热水化冻柿子可以快速化冻。可是,由于热水与冻柿子温差太大,冻柿子往往外层被烫软了,内部还保留一个冻芯,不容易化透。另外,被烫过的柿子,涩味回升甜味大减,所以人们都不用热水化冻柿子。

化冻鸡也是同样的道理,用冷水慢慢化冻,热气才能充分交换,里外都化透。传热介质与声音传播需要介质一样,热量的传导也需要介质。在现实生活当中,我们所能见到的每一种东西几乎都是热的传导介质,如水、空气、金属、塑料、土壤等。每一种介质传导热量的性能是不一样的,人们常用传热系数这个概念来表示介质导热的性能。

一般来说,传热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料,导热系数较小。材料的含水率、温度较低时,导热系数较小。