梅乐芝经理的科普文章 （五）

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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-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-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-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、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-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、海豹、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、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、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、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、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、长江流域、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、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：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、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。