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5.水稻種植，中國長江流域被認為是世界最早的。后發現中南半島同時期也有種植。無論那里起源，從這種作物的名稱就知道，缺乏大規模推廣的可能性。五谷（或）中，共有的四谷對水的需求較小。但很多干旱區域都產水稻，比如新疆阿克蘇、甘肅張掖、山西太原，找尋原因并判斷，那里可以移植？

6.中國歷史上，有好幾次氣候大規模變冷、變旱，導致物種生存范圍巨變。8000年前，青藏高原變冷，在長江黃河上游的農業部落搬家。5000年前，大象從甘肅分布到北京，隨后南遷。春秋中期，黃河流域變冷變旱，原本還有犀牛在此游蕩。北宋末年，河南的竹子全部凍死，后來北方很難再有竹子存在。明末，整個北方都寒冷干旱，農業歉收或絕收。其他時期間或有中小規模氣候變動。游牧部落大規模入侵，背后的氣候因素也是一大推手。從黑海到鄂霍次克海（唐：少海）的游牧部落，在定居文明的歷史記載出現時，可體會氣候的冷暖變遷。能找到氣候變暖、變濕的時期嗎？

7.金星大氣稠密，主要是二氧化碳，這種氣體有利于熱量積聚，不利于散發，所以表面溫度可達400c。地球氣候變暖，空氣中二氧化碳含量增加。二氧化碳含量增加也導致氣候變暖。那么究竟哪個是因？那個是果？或許這種簡單判斷并不合適。

8.航天飛機，在太空中，太陽曬著地方溫度超過100c，陰影的地方溫度為100c。新疆的晝夜溫差雖大，但遠遠不能和這個比。地球大氣雖然不夠稠密，現在感覺到它的可貴了吧。如果稠密到金星的程度，晝夜溫差就基本消失了，就沒辦法吃水果和糧食了。總之，地球最好。

水到了100c就沸騰，稱之為沸點，在0c就凝結，稱之為冰點，這是通常情況。在一些情況下，沸點溫度和冰點溫度發生變化。在高山上燒水，水很快就燒開了，卻不怎么燙。如果用溫度計測量，就發現溫度低于100c。水在開始加熱后，微量水就可能進入氣態形成微氣泡，在氣泡內，水蒸氣變成水和水變成水蒸氣同時在發生。當溫度上升，氣泡內的壓力上升，到一定程度時，水蒸氣和水相互轉化達到平衡（此時平衡壓稱之為此溫度下的蒸氣壓）。溫度越高，對應的平衡壓越大。當氣泡平衡壓等于外面的大氣壓時，氣泡就可以上升到水面，水就進入沸騰狀態。此時對應的溫度就是沸點。如果外面大氣壓降低時，沸點對應的氣泡平衡壓自然降低，平衡壓降低意味著對應的溫度降低。即沸點溫度下降。所以，氣壓大小決定了沸點的高低。水的沸點變化：0.2個大氣壓，60c，0.5個大氣壓，80c，1個大氣壓，100c，2個大氣壓，120c。在深海海底，熱泉冒出的水溫是400c。

燒開水的目的是殺死水中的細菌、寄生蟲卵等。而高山上的沸水溫度低，無法有效殺死細菌，就失去了燒開水的效果。同樣做飯也不容易熟。高壓鍋就是鍋密閉起來，里面氣壓超過海平面氣壓，水要超過100c才能沸騰，這樣做飯燒菜熟的快，燒得爛。高壓鍋都有放氣閥門，當壓力超過限定值時，就開始放蒸氣，保證壓力鍋不會爆炸。

水中0c結冰，體積膨脹。這個是與多數物質不同的地方。如果限制水的體積膨脹，水就無法結冰。在電視會看到花樣滑冰，這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，就直接壓人冰中，而被壓的細條冰體積減小，恢復成為水，這樣有水起潤滑作用，滑冰就很輕松。當冰刀離開剛剛形成的水槽后，這些水很快又結成冰。

空氣被加熱時，體積會膨脹，而重量不變，那么密度就減小。周圍空氣密度不變時，這些熱空氣就因為浮力升上去了。同理，當空氣變冷后，體積減小，密度增加，就下沉了。所以家里生火做飯，鍋是放在火上面，這樣可以最大幅度地利用熱。北方有暖氣供應的地方，暖氣片都放在窗戶下面，這樣窗外的冷空氣進來，就直接下沉到暖氣片上，很快就被加熱了。

水比較特別。在4c時，加熱體積增加。降溫體積也增加！也就是說水的密度最大不是0c（大多數液體都是在凝固點密度最大），而是4c。河水結冰，冰本身浮在水面上，而冰下的水里面，從上到下，溫度是0c到4c，生活中水中的魚類，就可以待在最高溫處，4c的河底。倘若冰密度比水大，那么整個河、湖，甚至海在冬天都變成冰的世界，水中的多數復雜生命不能呼吸而無法存活。不過水結冰后體積變大，帶來一些問題，生命的基本構成是細胞，內部充滿了水。當這些水結冰時，細胞膜就撐破了，生命無法存活。（某些兩棲動物，細胞內有防凍液，在全身都凍在冰中時，細胞保持液態）

水的這些特性：存熱性最好、固態體積大于液體、4c密度最大。使得生命成為可能，所有的生命，組成身體的物質中大部分都是水。比如人體大約70%是水，人體密度和水差不多。所以人學游泳是比較容易的，尤其是剛出生的嬰兒，已經在水里面生活了九個月。

地球上生命非常頑強，從深海海底到高山之巔，從萬年的冰中，到咸澀的鹽池，生命無所不在。但是地球有一個廣闊的地方，居然沒有任何生命，這里比手術室的滅菌條件還要嚴酷。在智利北部的阿塔卡馬沙漠，多年不曾降雨，地面沒有一點水分。看起來算不上最嚴酷的地區，卻因為沒有一點水，成為生命的禁區。

夏天冰淇淋、冰棍（現在還有嗎？）很受歡迎。在吃到嘴里瞬間，舌頭感到冰冷，表明熱量正離開舌頭進入冰淇淋。慢慢地冰淇淋化為甜香的液體，此時溫度并沒有提高。在這個過程中冰吸收的熱，稱為熔化潛熱。等冰吸飽了潛熱，就全部化為水，再吸熱，水才升溫。燒開水也有同樣情況，水到了100c，再吸熱，成為100c的水蒸氣。溫度保持不變。如果沒有熱量補充，就變不了水蒸氣。這部分熱量成為氣化潛熱。80卡熱量可以讓1克水從0c升高到80c，但只能讓1克冰化為1可水。而1克100c的水變為100c的水蒸氣要540卡！

前面我們提到颶風，也稱為臺風，就是水蒸氣釋放出的潛熱造成的。在熱帶海面上，海水溫度足夠高（大于27c），且熱海水足夠深（大于50米），這個就是颶風的能量來源。在此海面上，一個巨大的熱氣包離開海面，形成局部真空，此處氣壓降低，形成颶風中心。周圍的空氣涌來補充。而涌來的氣流由科里奧利力偏轉，形成逆時針（北半球）或順時針（南半球）的大旋渦。大量攜帶水蒸氣的上升氣流包，在空中溫度迅速下降，部分水蒸氣凝為水，釋放出大量汽化潛熱。這些潛熱以風的形式出現，高風速導致低氣壓（伯努利原理），低氣壓導致令蒸發增加，繼而使更多的水汽冷凝。大部分釋放出的熱量驅動上升氣流，使風暴云層的高度上升，進一步加快冷凝。這是一個自我驅動的過程，使得颶風越來越強，范圍可達幾百公里，相當于一個強力吸熱器。如果海面水不夠熱，熱水量不夠多，就無法維持下去。颶風移動過程中，由于不停從海水吸熱，所經過的海面溫度普遍下降。當颶風進入陸地，沒有供熱源了，颶風就慢慢消散。當然消散前，前面積攢的能量就以破壞的形式出現。

陸地上類似的形式是龍卷風，當然規模不能和颶風相提并論。也是由大尺度（比海中小的多，不到百米）的上升氣流引發，多數旋轉方向和颶風相同。由于尺度相對科里奧利力有效作用的范圍小，因此有可能出現反方向旋轉的情況。另外缺乏熱補充，持續時間短，移動距離幾公里到幾十公里之間。

思考：

1.我們做飯時，蒸煮常用溫度就是100c。炒菜溫度超過250c，燒烤溫度超過500c。那么低溫能不能做熟飯呢？比如60c炒菜，50c煮飯。

2.潛水艇發射導彈時，一直加熱導彈井底部的水，待其全部變成水蒸氣后，繼續加熱，壓力越來越大。最后導彈被彈出發射井，沖出水面，再進行點火。類似情況，魚、雷發射，航空母艦上的艦載飛機彈射，都用水蒸氣進行。那么航天飛機發射時，發射口下面也有大量水，發射時也是滾滾水蒸氣大量涌出，這個是起什么作用呢？*

3.使用熱水時，不小心會將少量熱水倒在皮膚上，很快皮膚會變紅。但是如果不小心讓蒸汽噴在皮膚上，很容易起大水泡。

4.冬天找一大塊冰，找一截細鐵絲，把鐵絲掛在冰上，兩端拴一個重物，比如啞鈴，觀察鐵絲情況。鐵絲能一直掛在冰塊上嗎？

5.永久凍土，是溫度常年低于0c，土內部的水分完全以冰的形式存在，分布在高寒地帶。在中國，一般凍土上方覆蓋著數米到數十米厚不等的正常土壤。凍土可以保持水分，上方土壤的水受凍土阻隔無法滲透流走，地下水位較高，容易形成濕地和草甸。氣候變暖，凍土消失，地下水位下降，上層土壤無法保持水分，濕地草甸逐漸荒漠化。在青藏高原、大興安嶺，易見這樣場景。若大范圍凍土消失，表面地形會有什么變化？

6.家用空調，都安裝在房間接近頂部的位置。暖氣片，都安裝在窗戶下方。為什么？

7.夏日午后，經常可以觀察到小旋風。在地面的某個區域，突然出現一股旋風，刮起少量塵土。塵土在風中的移動顯示出旋風的旋轉和路徑。那么此刻旋風的旋轉方向是由什么決定的？仔細觀察起旋風的初始區域，和其他區域有什么區別？

8.滑翔機，沒有動力，在空中滑翔。按道理應該是高度越來越低。但實際上一個經驗豐富的飛行員，可以維持高度不降，甚至越來越高，他是怎么做到的？*

9.有時候，龍卷風經過河面或湖面，會吸走大量水，甚至攜帶一些魚類和兩棲動物。導致另外一個區域下起了動物雨。那么會不會把動物帶到一個生活環境截然不同的地區？

10.在正常情況下，0c水開始結冰。若水非常純凈，沒有任何雜質，則到70c，水也不會結冰，稱為過冷水，如右圖。水管噴出過冷水，在接觸雜質后，瞬間結冰。夏天有時候會有冰雹。這是在高空中存在強烈的對流氣流，小水滴在氣流作用無法降落，融合成為大水滴才降落下來。當氣溫低于0c，凝為冰粒，下落過程中受氣流影響，可能再次上升，多次聚集水滴，逐漸增大。當個頭增加到氣流無法維持時，降落下來，成為冰雹。冰雹形成中，影響體積大小的因素是什么？

11.在海戰中，當某艘船即將沉沒，周圍的船員都趕緊離開船附近水域，為什么？

12.在影視節目中，子彈射入水中，我們看到一條條氣泡形成的軌跡，這個軌跡就是子彈經過的路徑。但氣泡卻又慢慢消失了，并沒有上升到水面上。結合前面第四節最后部分的內容，解釋氣泡形成的原因。*

13.海水的熱量來自太陽，在不同緯度，太陽提供的能量不同，平均意義上赤道區域是最強的。由于洋流在赤道附近是自東往西流，那么這些洋流就持續被太陽加熱，溫度緩慢增加，大約每移動經度一度，增加0.1c，在洋流向兩極方向移動時，向周圍環境散熱，每移動緯度一度，大約降低0.3c.當洋流進入高緯度區域自西往東流時，由于周圍環境溫度低，此時洋流依然保持降溫，幅度也是每經度0.1c。同理洋流自極地向赤道移動時，洋流從周圍環境吸熱，溫度保持每緯度0.3c的增幅。由此可以斷定，颶風易形成于大洋的西部區域。

在溫度不同的2個物體之間，就產生熱量傳遞。熱量傳遞有3種形式。

1.對流，發生在相同類型的流體內部。比如空氣對流，水對流。熱流上升，寒流下降，互通有無，最后溫度一致，結束熱量傳遞。大氣有對流層，海洋有洋流、環流，專門進行熱量重新分配，造成了地球多樣的氣候環境。熱量分配同時帶來了水的分配，把海洋中的水運輸到陸地上，完成了生命進駐陸地的先決條件。

2.傳導，發生相互接觸的對象之間，同時不滿足對流條件。固體之間、固體和流體之間都以傳導的方式進行熱量傳遞。熱水澡可以讓一個凍萎靡的人恢復活力。因紐特人也是這種散熱方式。不同物體熱傳導的性能不同，金屬一般都比較好。陶瓷、皮革相對差。熱傳導性能最好的是銀，是鐵的9倍。鋁也不錯，是鐵的4.4倍。銀做炊具，價格有些高昂，普通人用不起。不過用銀作碗、盤子有個好處，可以殺死部分菌。鐵，雖然傳導性能不是最好，但勝在價格便宜量又足，所以我們做飯的鍋多數都采用鐵。鋁輕又傳熱快，為什么不采用鋁呢？鋁表面有一層氧化膜，可以防止鋁進一步氧化，阻止人體攝入鋁。但刷鍋的時候用鐵刷子刮擦，烹飪時一些酸性物質都很容易破壞膜。所以炒菜鍋基本用鐵鍋。高壓鍋一般燉燒煮，用鋁制造重量輕，便于使用，同時不易破壞表面的氧化膜。人體需要很多金屬，但鋁不在其中，所以盡量少攝入鋁。

3.輻射，發生在不接觸的對象之間。比如太陽通過輻射，給地球帶來大量熱。空氣對流時，熱空氣進入高空，通過輻射的方式把熱量散發到太空。并且所有物體，只要溫度不是273.15c，就向外輻射，區別只是輻射量的大小。輻射和對流是宇宙中最可行的熱方式，比如太陽表面和內部采用對流方式，對外采用輻射方式。傳導很少，因為宇宙中絕大多數可察覺物質都是流體形式存在。

通常情況下，熱傳遞都是多種形式共同作用。燒開水，熱源和壺之間是傳導和輻射，壺和水之間是傳導，水之間是對流。冬天烤火，是輻射和對流。燒烤，是輻射和傳導。

熱量產生有多種方式：燃燒、核反應、壓縮、摩擦。通常我們做飯，使用天然氣、液化氣、煤炭、木柴、秸稈等等，燃燒產生大量熱來進行。燃燒有溫和的方式和猛烈的方式。像汽車發動機（燒油）、蒸汽機（燒煤炭）、做飯等類型的燃燒，是猛烈方式，燃料（被燃燒的材料）燃燒速度快，伴隨著光、聲等效果，產生出大量熱。溫和的方式就比如我們的身體。我們每天攝入一定量的食物，這些食物經過消化后變成身體組織可以處理的物質，在體會燃燒。產生的能量一部分用來維持我們的體溫，保障我們的行動能力，另外一部分儲存在細胞內。若這些物質消耗不完，多余的就以脂肪的形式存儲下來，身體就慢慢發胖。所有動植物內部都是溫和燃燒方式。現在航天飛機內部用的電池，很多都是燃料電池，通過燃燒氫氣來產生電流，這種燃燒也是溫和方式。太陽及其他恒星，都是通過核反應產生熱，這是宇宙的普遍現象，燃燒是罕見現象。而在地球上，燃燒隨時都在進行，而核反應發生在核電站、核試驗、核攻擊、核動力罕見等場所。和宇宙普遍情況截然相反，如同目前所知生命僅在地球上出現一樣！一般情況下，固體和液體很難壓縮，氣體很容易壓縮。自行車打氣筒、握力橡膠圈，在多次使用后，都能感受到壓縮產生的熱。裝甲車的實心輪胎，行駛時各部分都被循環壓縮，長時間行駛后變得滾燙。摩擦產生熱，是生活中普遍現象。最早的應用就是鉆木取火，這種史前生火方式現在看起來雖然不便，卻是人類從被動引火到主動生火的一個轉變（因紐特人的傳統生火方法就是鉆木取火）。多數情況下，摩擦產生的熱量雖然不多，但是帶來很多麻煩。從工業革命開始，潤滑油的廣泛需求就是為了減小摩擦。

思考：

1.自然中的空氣和水的對流廣泛存在，戶內主要是強制對流。廚房的抽油煙機、大廳的排風扇、樓房的中央空調，這些強制對流都要消耗電力。但自然對流可以用來發電，了解目前新能源狀況，列舉有哪些自然對流發電方式？

2.去參加宴席，通常涼盤和熱菜都有。觀察碗、盤子，多數都用陶瓷材料。更早時期，木制餐具也曾廣泛使用，為什么？另外古羅馬時期，鉛制餐具廣泛使用，造成鉛中毒情況很普遍。

3.夜視儀（紅外線成像儀），在晚上無可見光線時，可以觀察周圍環境情況，為什么可以呢？

4.保溫瓶保溫，密閉性隔絕了熱對流可能，軟木塞和玻璃瓶膽內的近似真空降低了熱傳導，瓶膽內膜鍍銀（鎂），阻隔了熱輻射。在保溫瓶里面灌半瓶沸水，如果立即塞上軟木塞，很快軟木塞會飛出來。如果等一會再塞上。時間長了，軟木塞不容易取出。為什么？

5.城市里面有大量熱產生。工廠的煙筒、汽車的尾氣、空調的排氣口、廚房的灶臺、我們的呼氣，都貢獻著熱。城市內植被少，水泥建筑多，空氣中廢物多，太陽輻射更容易蓄積。最終造成整個城市空氣平均溫度比郊區高。這個稱之為熱島。鄉村里面也有類似效果，不過熱島小很多。什么情況下熱島效應更大？什么情況下熱島效應變小呢？

6.有煤有豐富水資源的地方，經常有火電廠。其標志性建筑是冷卻塔，側面呈弧形，頂上是熱氣騰騰的模樣。直接讓這些熱水冷卻，浪費很大。在北方，冬天可以使用這些熱水供暖。另外，熱水可以用來增溫，養殖熱帶魚類，比如羅非魚。這是一種性價比非常高的魚類。

7.不同的食物燃燒的熱量差別很大，把固定重量的某物質燃燒產生的熱量稱為熱值。通常食物中熱值最大的是奶油，和無煙煤的熱值差不多。花生的熱值也很高，雖然比不上酒精，比松木高。白糖也不錯，比松木稍差。令人意外的是瘦肉的熱值很低，和大米飯差不多，大約是松木的四分之一。炒雞蛋比煮雞蛋熱值高30%。可發現油脂含量高或油炸的食物，熱值高。食物的熱值高不等于營養高。并且食物熱量太高，超出人體需求太多，身體就發胖。雖然人體維持體溫和活動都需要熱量，而人體本身的運轉卻需要其他類型的物質。營養豐富是指產生熱量的物質、代謝必須的物質、保持防護能力的物質都有的食物，通常某一類食物營養不全，偏愛某種食物的話對身體可能不利，所以要搭配吃。粗加工的米面（熱量、維生素）、蔬菜（纖維素、維生素）、肉類（動物蛋白）、水果（維生素、微量元素）、豆類（植物蛋白、耐久性淀粉）混合，并且肥瘦肉都吃。當食物類型單一時，會形成特定的飲食習慣。因紐特人很難獲取植物型食物（蔬菜），無法以這種方式補充維生素。但他們吃的肉食熱加工程度很低，內部的維生素并沒有破壞，所以安然無恙。西方人吃的牛排經常是5分熟，或3分熟，帶著血絲吃，可能也有這方面的習慣因素。

8.冬天雙手冰涼，用力互相搓，一會手熱起來。是摩擦生熱的結果嗎？

9.長途客車，尤其是在山路上運營的，在車里一般有個大水桶，持續向剎車片滴灌。為什么要這樣做？

10.在戶外探險時，攜帶一張金屬膜熱量反射布是很有必要的。當衣服濕透失去保暖效果，需保溫時，這張輕便的熱量反射衣可以有效防止體溫快速下降。

梅樂芝經理的科普文章（六）

第6節力與慣性

前面幾節，介紹了不同的力。力總是作用在某物體上，為了衡量力對物體的作用關系，需要對力的大小進行度量。而進行度量，則需要制定標準。前面我們給出了長度，溫度的標準。現在要給出力的標準，但力是依附并作用在物體上，所以先要制定物體的標準，即物體如何體現自身存在的標準。