热学部分
物体热胀冷缩的利与弊
1927年12月法国遭到连续几天严寒的袭击，巴黎市中心的塞纳河桥受到了严重的破坏，桥的铁架受冷收缩，桥面上砌的砖突然碎裂，看到这条消息，令人难以置信，桥会因收缩而被破坏得这么厉害吗？可这是千真万确的。
举个例子给你听，就不难理解了。从上海到南京的电话线冬季比夏季短大约250米。250米可不是一个小数字，这么长的一段电话线到哪里去了？原来是由于电话线遇冷收缩短的缘故。
所以，架线工在架设电线时一定要把这个因素考虑进去。如果是在夏季架设电线，务必要把电线敷设得松一些。那样到了冬季，气温下降，电线收缩时才不致于因受阻而断裂(图1)。
冷缩受阻发生在桥梁上就产生了前面所说的严重后果。一般物体都是热胀冷缩的，如果阻碍它的变化，就会产生很大的力，造成很强的破坏性。例如：铁轨受热会膨胀，温度每升高1℃铁轨伸长为原来长度的百分之一。照此计算，一公里长的铁轨温度升高1℃伸长一厘米，变化似乎是很小的。如果夏季与冬季的温度差55℃，我们仍以上海到南京为例，铁轨长为310公里，夏季要比冬季长150米左右，这就不是一个可以忽略的数字了。如果铁路上铺设的铁轨紧密连接，这长出来的300米铁轨会把整条铁路线都毁坏的。所以，在铺设铁轨时，每两根铁轨相接的地方都要留有一定大小的空隙，以便铁轨受热时有膨胀伸长的余地。
人们在设计产品和建筑工程时都要考虑物体热膨胀冷缩的因素。精密的仪器，必须在恒温的车间里生产装配，使用时也必须放在恒温的房间里，这是为了防止零件的大小随温度的改变而发生改变，影响仪器的精密度。
人们在日常生活中也经常利用物体热胀冷缩的性质。例如：常把煮熟的鸡蛋放在冷水中浸一浸，由于蛋壳和蛋白的收缩程度不一样，蛋就容易剥开。把拧不开的金属瓶盖放在热水里浸一会，就很容易拧开了(图2)。你到生活中去仔细观察，还会找到很多实例。
任何事物总有它的两面性，人们可以防止它对人类不利的一面，利用它对人类有利的一面。
玻璃杯越厚越好吗？
你遇到过这样的情况吗？刚把开水倒进玻璃杯里，杯子突然碎裂了。你是否观察过破裂的杯子是厚壁还是薄壁的？你知道是什么原因？
这是因为开水倒进厚壁的玻璃杯里，烫热了玻璃杯的内壁，内壁立刻膨胀起来，由于玻璃传热的本领较差，所以外壁还没来得及变热膨胀。这样一来杯子各部分的膨胀就不均匀，外壁受到了从内部来的强烈的挤压，所以就破裂了。薄玻璃杯的壁受热后较快烫透，内外层同时膨胀，这样就不容易破裂。你在商店里买玻璃杯时别忘了挑薄壁的(图3)。
如果把燃得滚烫的砂锅从火上取下来以后，立刻放在冰冷的地面上，砂锅往往会破裂，你能解释其中的原因吗？
上面介绍的物体是由相同材料组成，因受热不匀，物体各部分膨胀程度不一致而导致破裂。
还有一些由不同材料组成的物体，温度变化时，不同材料的膨胀程度不一样，也会使物体破裂。例如搪瓷器皿是由搪瓷和铁组成的，如果设计时没有进行科学的计算，按合理的配方选料，使搪瓷和铁热胀冷缩的程度保持一致，那样制造出来的产品遇到冷热变化就容易破裂。
因为在升高(或降低)相同温度的情况下，铁比搪瓷膨胀(或收缩)得厉害。受热时，铁一膨胀就会把紧贴着它的搪瓷胀裂；遇冷时，搪瓷同样也会碎裂而剥落。建筑物所用的钢筋和水泥也要选择热胀冷缩变化程度相同的材料来制造才能坚固。
温泉蛋
有人爱吃煎得很嫩的荷包蛋，这种蛋的蛋清已凝固而黄黄的蛋黄尚未凝固。但日本有一种风味食品叫温泉蛋，当你把蛋壳敲开时，会惊奇地发现蛋清还是液体，可蛋黄已经凝固了，味道很独特。
你想知道这蛋是怎么煮的吗？告诉你吧，这里还要用到一点物理知识呢！这是根据蛋清和蛋黄的凝固温度不同而烧煮的。蛋清的凝固温度是70℃，蛋黄的凝固温度为60℃。你猜到了吗？
温泉蛋该怎么煮？烧煮鸡蛋时水温控制在60℃-70℃之间就能成功(图4)。
动手试试看，味道好极了。
水的沸点和冰点水的沸点是100℃吗？这个问题应该这样回答：水没有固定的沸点，它的高低和大气压强有密切的关系。
下表是水在不同压强下的沸点。
压强(大气压)(沸点℃)001250541122101076100105120180从表中可以看出水的沸点随压强的增大而升高。
水的这种性质既有对人类有利的一面，也有不利的一面。在高原地区，由于气压低，水不到100℃就沸腾了，连饭也煮不熟。例如，在海拔二千米高处水的沸点是93℃(图5)这时必须用高压锅来煮食物。压力锅的锅盖可以旋紧不漏气，使锅内压力升高，水温可达100℃以上，煮出来的饭香糯可口。医院里也常用高压锅产生的高温来灭菌消毒。
人们还利用压强减小，水的沸点降低的性质来制造奶粉。让牛奶中的水分在低压下沸腾汽化，这样制造出来的奶粉中的营养成份才不会受破坏。在糖果厂里，人们也采用低压低沸点的方法除去糖浆里的水分保证糖不致于烧焦。
当大气压增大时，水的冰点是否会升高呢？
一个标准大气压时，水的冰点为0℃，压强增大，冰点降低。当压强达到2200个大气压时，冰点为-22℃。可是一旦压强超过2200个大气压，水的冰点不再降低，反而开始升高。压强达二万个大气压，冰点为80℃；压强达三万九千个大气压，冰点高达182℃，也就是说水在182℃就结成冰了，这么滚烫的冰块！如果你用手去摸准会烫坏的，真是不可思议。当然这种冰我们没有可能跟它接触，因为它是在特殊钢材制成的厚壁容器里加上极大的压力才制成的。所以，我们既看不见它，也拿不到它，只能用间接的方法来了解这种热冰的性质。
为了帮助你理解上面的内容，我们介绍一个冰能使水沸腾的小实验，你可以试一试。
图6玻璃瓶里倒入半瓶刚烧开的水，然后把瓶塞塞紧，把瓶倒过来放置，在瓶底上放几块冰块，过了一会儿，你就会看见瓶里的水沸腾起来了(图6)。
你能解释这个现象吗？
你能解释水沸腾实验中出现的现象吗？
我们在做水的沸腾实验时，给冷水加热，当水温到达30℃左右，容器底部开始出现许多小气泡。这些气泡是从哪里来的？在通常情况下，溶解在水中的空气是人眼观察不到的。加热后水温升高，空气受热膨胀，体积增大，就形成了看得见的小气泡。与此同时水也向气泡内蒸发，使气泡不断胀大，气泡大到一定程度就开始脱离容器壁向上运动，这些气泡在上升过程中越来越小，直到消失。这时，你能听见水中有轻微的“嘶嘶”声，此时的水温在80℃左右。
气泡为什么会越来越小而消失呢？是因为给冷水加热时，起初上层的水温比下层低，气泡在上升过程中遇冷收缩，还未到达水面就破裂消失了。
那么“嘶嘶”声是从哪儿来的呢？破裂的小气泡会发出轻微的响声，大量气泡的破裂声汇合在一起形成了我们听到的“嘶嘶”声。
水加热到100℃时，我们能观察到大量气泡在上升过程中体积急剧增大，升到水面破裂，放出大量的水蒸气。此时水面形成翻滚，这时响声就消失了。
这时候的气泡为什么又越来越大呢？这是因为加热一段时间后容器里的水经过反复的上下流动以后，水温都达到100℃，同时不断地有水迅速汽化变成水蒸气进入气泡，使气泡在上升过程中体积急剧增大，最后冲出液面而爆裂(图7)。
水沸腾以后，响声为什么反而消失了呢？这是因为这时小气泡在水中不再破裂，一直升到水面才爆裂。所以有“响水不开，开水不响”的说法。
水蒸发快慢的原因
盛在盆子里的水会一天天减少，减少的水到哪里去了？
水是由许多许多很小的颗粒组成的，我们叫它水分子。这些水分子永不停息地作无规则的运动，这样就有一部分水分子离开水面跑到空气中去(图8)，于是水就少了。这些跑到空气中的水我们叫它水蒸气。
水能变成看不见的水蒸气，这表明水能从液态变为气态，我们把这种现象叫汽化。当汽化只发生在液体的表面时，这种汽化的方式叫蒸发。
同样多的水，放在盆里和啤酒瓶里，把它们排放在一起(图9)，盆里的水比啤酒瓶里的水干得快，这是为什么？
水分子只能从水表面跑到空中去。用盆盛水，水的表面积大，有较多的水分子可以从表面跑掉。可啤酒瓶里水的表面积小，相对来说跑出去的水分子要少得多，所以盆里的水干得快，瓶里的水干得慢。
同样多的两盆水，一盆让它自然蒸发(图10甲)，另一盆水用电扇去吹(图10乙)。虽然两盆水的表面积一样，可干得快慢却不一样，用电扇吹的那盆水干得快多了，这又怎样解释呢？
水蒸发时，水分子不断地离开水面跑到空气中去，水面上方的水分子越来越多，越来越密。
这样一来使得水中的水分子不那么容易跑出来，甚至有一些已经跑到空气中的水分子还会返回到水中去。水面上方的水分子越多越密，这种可能性越大，蒸发自然就慢了。
另一盆水面上用电扇吹，从水中跑出来的水分子都让流动的空气带走了，这样水面上方的水分子就很稀少，水分子要脱离水面跑到空中就容易得多，蒸发就加快了。
还是同样多的二盆水，一盆放在太阳下晒(图11甲)，一盆放在阴凉处(图11乙)，它们干得快慢也不一样，放在太阳下的那盆水比放在阴凉处的那盆水干得快，这是什么原因？
这是因为晒在太阳下的水温度高，水温越高，水分子运动得越快，也越容易跑出水面，所以放在太阳下晒的那盆水蒸发就快得多了。
我们介绍的是水，其它的液体蒸发快慢的情况与水是一样的，道理也一样。
水蒸发时，能使水温降低。这是因为蒸发时，分子要向四周吸取热来加快自己的运动便于离开水面，所以会使周围物体的温度降低。假如不信的话，你可以测一下家里鱼缸里的水温，你会发现水温要比室温低3℃-5℃。这是由于鱼缸里的水不断蒸发带走大量的热，从而使鱼缸里的水温下降了。
电扇能降温吗？
“盛夏酷暑，炎热难熬，防暑降温，全靠电扇。”
看了这则广告，你有什么想法吗？广告上的这个说法严格地说是错误的，电扇可以使人感到凉快，舒适，但它不可能降低室温。
我们可以通过一个实验来研究。把温度计放在电扇前吹，无论吹多长的时间，温度也不会发生变化(图12)。这是因为在同一房间里的气温都相同，电扇使空气流动形成的风的温度和室温是一样的，这说明电扇是不能降室温的。
那么天热电扇为什么能使人感到凉快、舒适呢？我们再做个实验来找找其中的原因。用湿棉花(湿布也行)包住温度计的玻璃泡，放在电扇前吹(图13)，过几分钟温度计的液柱就下降了，表明温度降低了，这显然是水蒸发吸热的结果。
闷热的夏天，身上直冒汗，贴近我们身体的空气变热，成了一层看不见的罩住人体的热空气罩，使汗水很难蒸发，人体的热也难以散发出去，我们感到热得难受。这时，打开电扇，电扇加快了空气的流动，把罩住人体的热空气吹走，人体的热随空气的流动散出去。同时，也加快了人体汗水的蒸发，蒸发也能从身体带走大量的热，使皮肤表面的温度降低。由于这两个原因，我们感到凉快舒适多了。
同样的道理，冬天有风的时候我们感觉比没风冷多了。没风的时候人体的热不太容易散出去，一旦有风吹过，风就要从我们身上带走热。加上，即使冷天人体的皮肤也在蒸发水分，风越大，蒸发越快，从人体夺走的热越多，人越感到冷，这就是“冷在风里”这句话的道理。
风吹致冷的作用大小是由什么来决定的呢？是由风速和气温共同决定的。这里列出一些具体的数字来说明。如果气温是4℃，没风，人暴露在外的皮肤温度是这时吹来一阵微风(能吹动旗帜，但吹不动树叶)，皮肤温度降到30℃。如吹来一阵小风(能使旗帜飘扬)，皮肤温度降到24℃。所以，在寒冷的冬天刮大风的日子里更要注意保护自己，防止冻伤。
风是不是总是让人感到凉爽，感到寒意呢？不！你听说过沙漠热风吗？在沙漠的热带气候里，气温比人的体温高，所以不是人体把热传给空气，正相反是空气把热传给人。因此，风越大，人感到越是热。
水的三态变化(1)云和雾
雨天降到地上的水，太阳一晒就无影无踪了，它们到哪里去了？飞到天上去了吗？一点也不错，是飞到天上去了，变成了天上的白云(图14)。
那飘浮在天上的白云是水？是冰？还是水蒸气？
云的形状千差万别，千姿百态。有的云低低的好像压在我们的头顶上，有的云却高高的飘游在遥远的天边。
在二千米以下的空中，温度相对来说比较高，水蒸气液化凝聚成小水滴，这样的云叫水云。
在五千米以上的高空，气温非常低，水蒸气凝结成小冰柱，这样的云叫冰云。
在二千米到五千米中间的云既有冰又有水，叫做混合云。
高高飘荡在天上的是云，低低飘浮于地面附近的云就是雾。白天，当空气里水蒸气的含量非常多的时候，在气温变冷的早晨或夜晚，这些水蒸气便会在靠近地面的空中液化凝结成细小的水珠，雾就是这样形成的。
(2)露和霜
你仔细看过年历表里的节气吗？阴历九月初有寒露，九月中是霜降。是不是表示到了这个时候天上就有露水和霜降下来呢？要回答这个问题，就要先搞清露和霜是怎样形成的。
夏末初秋的夜晚，气温下降，空气中的水蒸气凝聚在冷的物体上液化而成小水珠，这就是我们在清晨所见到的晶莹可爱的露水珠(图15)。第二天早上太阳升起，气温升高，这些水珠就蒸发成水蒸气又回到大气中去了。
深秋来临，深夜的气温很低，当它降到0℃以下时，空气中的水蒸气就会凝华成小冰晶，这就是霜。
现在，你知道了吗？寒露和霜降二个节气的意思就是进入这段时期，就会出现露和霜。
(3)雨、雪和冰雹
天空中会落下雨滴，飘下雪花，甚至会掉下冰雹。这些又是怎样形成的呢？
空气中含有很多的水蒸气，由于水蒸气是无色透明的，所以我们看不见。但一旦气温发生了变化，我们就会看见许多有趣的现象。
当气温降低时，空气中的水蒸气会液化成水，凝聚在空中的尘埃上形成小水滴，水滴越来越大，直到气流支持不住时，便落下来，这就是雨。
如果高空中的水蒸气遇到很低的低温就不经过液态直接凝华成固态，这就是雪。在寒冷的冬天，我们看见洁白的雪花飘飘扬扬洒向人间(图16)。雪花是非常美丽的，你可以用放大镜仔细观赏一下。人们说世上没有两片大小和形状完全相同的雪花，找找看，是这样吗？
