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        春天來了,鴨子真的是第一個知道?

        2021-04-09 09:29:02許秀華插畫玖月
        科學(xué)大眾 2021年7期

        ■文/許秀華 ■插畫/玖月

        傍晚的江南水鄉(xiāng),江邊的蔞蒿像翻滾的綠色浪花,從江岸向遠(yuǎn)處鋪展開來。江水歡快地迤邐而過,在靠近岸邊的地方,蘆葦才冒出短短的嫩芽。若是捕撈上河豚,就著蔞蒿、蘆葦?shù)哪垩浚窃撌嵌嗝疵牢?!這是僧人惠崇所繪的一幅畫,名為《春江晚景》。宋代大文學(xué)家蘇軾為這幅畫創(chuàng)作了一首膾炙人口的七言絕句——《惠崇春江晚景》。

        蘇軾看到畫中在江水里自在游弋的鴨子,栩栩如生,不禁熱心地替鴨子說:“江水變暖和了,春天來了,我們最早知道?!?/p>

        用水溫判斷季節(jié)變換,有點滯后

        要是憑借江水的溫度來判斷四季的變化,小鴨子只能是后知后覺,沒有能力搶先發(fā)布。為什么呢?這要從水的比熱容說起。

        比熱容作為物質(zhì)的一種物理性質(zhì),顧名思義,就是一種物質(zhì)容納熱量的能力。同一物質(zhì)的比熱容一般不隨質(zhì)量、形狀的變化而變化。比如,我們將鐵筷子和木筷子放在水里,然后把水燒熱,哪個會熱得快?當(dāng)然是鐵筷子,因為金屬鐵的比熱容小。鐵和木頭都獲得了同樣的熱量,然而鐵很快就以“發(fā)高燒”的方式給了反饋,而比熱容大的木頭卻依舊保持“正常體溫”。

        惠崇春江晚景

        〔宋〕蘇軾

        竹外桃花三兩枝,

        春江水暖鴨先知。

        蔞蒿滿地蘆芽短,

        正是河豚欲上時。

        水的比熱容更大,比土壤、巖石、空氣的都大。要讓水和土壤、空氣、巖石升到同樣的溫度,要給水提供更多的熱量。同樣的熱量供給下,水溫上升的速度比巖石、土壤和空氣慢。同樣,因為水的比熱容大,要讓一盆溫水降溫,也需要更多地供冷。往往周邊的土壤、巖石已經(jīng)冷卻下來了,而水仍舊是溫的。

        春天時,盡管天氣很暖和了,江河湖海里的水卻仍是寒冷的。秋天時,已經(jīng)涼氣襲人,而江河湖海里的水卻依舊溫暖。

        春天時,當(dāng)?shù)厍騼A斜著自轉(zhuǎn)軸圍著太陽公轉(zhuǎn)時,太陽光斜射與地面的夾角變大,傾瀉到地面的光子增多了,太陽送來的熱量增多了,空氣變熱了,土壤變熱了,江水卻遲遲不變熱。小鴨子一定為此苦惱過:為什么我的春天總是遲到?哪還有心情說:“江水變暖和了,春天來了,我們最早知道?!?/p>

        秋天時,太陽光斜射與地面的夾角變小,傾瀉到地面的光子減少了,太陽送來的熱量減少了,空氣變冷了,土壤變冷了,江水卻遲遲不變冷。所以,初秋時的江水仍然溫暖得可以下去游泳。小鴨子也許為此自豪過:“秋風(fēng)蕭瑟,卻奈我何!”

        說到這里,一個問題呼之欲出:蘇軾會游泳嗎?如果他會游泳,他為小鴨子代言時,是不是就會因為有對春水的親身體驗而更加準(zhǔn)確?

        在一百多年前,普遍使用液體水來降低機器的溫度,但持續(xù)的效果不佳。

        如今,乙二醇冷卻液散熱的速度更快,由于密度比純水大,在冬季還不容易凍結(jié)而影響機器的工作。

        沙漠沙石的比熱容相對就比較小,所以在我國新疆吐魯番地區(qū)就形成了“早穿皮襖午穿紗”的特殊現(xiàn)象。同時,晝夜溫差比較大,有利于植物糖分的積累,所以那里的瓜果比較甜。

        比熱容在自然界演出的戲碼,不只是表現(xiàn)在春天和秋天的水體上,還有白天和黑夜中的空氣、土壤和巖石。白天,空氣、土壤、巖石被太陽照射,升溫很快;夜晚,漆黑一片,失去了太陽光能量供給的空氣、土壤、巖石又快速失去熱量。春寒料峭,為何讓人更難接受?因為白天和夜晚的溫差太大了。

        所以,比熱容還有一層含義,就是物質(zhì)保持現(xiàn)有熱量的能力。比熱容小的物質(zhì),熱量來得快,消散得也快;比熱容大的物質(zhì),熱量來得慢,消散得也慢。

        電水壺

        在生活中,我們會發(fā)現(xiàn)水的升溫速度明顯慢于油的升溫速度。只要十幾秒鐘,油鍋就開始發(fā)出噼啪聲了。

        油鍋

        炭盆取暖(一定要慎用,一不小心就會一氧化碳中毒)

        寒冷的冬季,暖氣片能帶來溫暖。它是將“暖氣”用水作為介質(zhì),把供熱廠產(chǎn)生的熱量帶進千家萬戶。沒有水這個介質(zhì),熱量很難通過空氣長距離傳遞。

        暖氣片

        冰激凌的主要原料就是一些水、乳、油脂以及蛋、添加劑等成分,這些物質(zhì)的比熱容都是不同的,添加得越多,融化的速度也就越快。而棒冰的成分較少,融化的速度也就不快。

        比熱容討論有條件

        要是水變成水蒸氣,比熱容會怎樣變化呢?要是水和別的物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),比熱容又會怎樣呢?

        這真是個好問題。世界上有好多種事物,事物之間有同有異。相同點多的事物,人們會將其歸為一類,然后將歸為一類的事物加以定義,這就是概念的由來。所以,概念天生就帶著內(nèi)涵和外延。內(nèi)涵是指定義的內(nèi)容,能夠歸類為這一概念必須達到的標(biāo)準(zhǔn);外延則是概念的邊界。

        比熱容這個物理概念也是有內(nèi)涵和外延的。其內(nèi)涵即為單位質(zhì)量的某種物質(zhì)的溫度升高到一個絕對溫度時,需要獲得的熱量數(shù)量;其外延則是沒有發(fā)生相變和化學(xué)變化。這個所需熱量測量的限定條件或者說邊界,是沒有相變和化學(xué)變化。水變成冰或者水蒸氣,這就是發(fā)生了相變。這時,水里的熱量或者要釋放,從而改變了水分子之間的作用力和距離,水變成冰;或者水要從外界吸收熱量,增大了水分子間距離,水變成水蒸氣。金屬鈉投入水中,水會沸騰,這是鈉和水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),放出了大量的熱量。這時,水分子的化學(xué)鍵斷裂,釋放出了大量的能量。

        所以,在發(fā)生相變化和化學(xué)變化時,都有其他的熱量來源參與其中,這時討論比熱容就不合適了,故而設(shè)定了概念的邊界。

        美學(xué)和科學(xué)并不總是同步的,不能苛求蘇軾這位生活在宋代的古人。而且,雖然春水的溫度上升晚于岸邊的土壤、巖石和空氣,可是春水一旦暖和了,還真是小鴨子第一個知道呢!

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