在阅读本文前,请你先回答一个问题:标准1个大气压下,在一个盛水的敞口大容器中放一个盛水的敞口小容器(小容器不能接触大容器),再用大火不断加热大容器的底部,请问小容器里的水会沸腾吗?为什么?
也许你将回答:会沸腾。因为大容器中的水先沸腾之后,会把热量传递给小容器中的水,所以小容器中的水最后会不断升温而沸腾。可答案是——小容器中的水不会沸腾!这似乎是一个“意想不到”的答案!这到底是为什么呢?
原来,对于标准1个大气压下的纯水,沸点是100℃。但水沸腾后,水温并不会升高到100℃以上,这是因为一部分水变成水蒸气时会不断带走余下的水的热量,所以,大容器中的水一边沸腾,一边失去部分热量,温度就会始终保持在100℃,这样一来,小容器中的水因为无法持续获得它需要的“汽化热”,所以并不能沸腾。
上述大容器表面的水在汽化时带走热量的现象,是一种蒸发致冷现象。因为蒸发不止发生在沸水表面,还发生在任何温度下的任何非密封液体表面,所以非密封液体表面都有蒸发致冷现象。
无处不在的蒸发致冷
在病人发高烧时,医生会在病人手心、额头、脚心等处抹酒精,采用物理降温法紧急降温,这是蒸发致冷。不管春夏秋冬,即使是在比体温稍低一点的水中游泳,也不觉得很冷。但游完变成“出水芙蓉”之后,如果没有马上擦干身上的水,就觉得比较冷或特别冷,这还是蒸发致冷。
对同一种液体而言,湿度是影响液体总体蒸发速度的四大因素之一,另外三大因素是温度、空气的流动速度与表面积。实验表明,当空气的相对湿度为零时,气温要高于35℃,人们才有热感;而当空气的相对湿度为80%时,28~29℃时人们就感觉闷热了。
传统“三大火炉”重庆、武汉和南京,其实夏天的气温并不是特别高。例如,武汉七月的平均最高气温33℃,仅比济南高出0.4℃,但是由于传统“三大火炉”的湿度特别大,不利于汗液快速蒸发,蒸发致冷的效果不明显,所以感觉异常闷热。
如果到云贵高原或四川的西昌一带,你会发现酷暑时树荫下比阳光直晒处凉快得多。其次要原因,是树木遮荫让地面免受阳光直晒;主要原因,是这些地区湿度较小,树木会发生强烈的蒸腾,从而造成剧烈的蒸发致冷,带走了大量的热量。
阿拉伯人穿着能遮住全身的宽松的长袍,在空气温度高于40℃的沙漠中气定神闲地行走的奥秘之一是,长袍形成的“烟囱效应”加快了空气的流动,让汗液更快地蒸发致冷,有难以置信的凉爽之感。
俄罗斯的圣彼得堡和莫斯科冬天的平均气温相差不大,但总感觉圣彼得堡比莫斯科冷。原来,莫斯科的平均风速仅4.5米/秒,而圣彼得堡平均风速达6米/秒,使面部汗液有更强的蒸发致冷。
蒸发致冷在农业中的应用实例是喷灌。夏日的喷灌,不但直接连续通过热传导降低了地表和植物的温度,还让植物叶片得到持续不断的水滴,这些水滴蒸发致冷后有利于植物的降温而抵御酷暑。
蒸发致冷在科研中也有重要应用,其一是用它获得超低温,例如用氦3蒸发致冷曾获得过0.2K的超低温。另一个实例是,应用蒸发致冷获得的超低温,实现了玻色-爱因斯坦凝聚。
此外,宇宙飞船返回地面时,因为与稠密大气层高速摩擦,会产生上千摄氏度的高温而危害航天员,所以都要对返回舱降温;降温的三种主要方法之一,也是蒸发致冷——用高分子材料做飞船的蒙皮,让它的表面在高温时熔化之后蒸发,或升华、分解而汽化,带走大量的热。
蒸发致冷在各个领域都有广泛的应用,但也要注意应用得当,否则将产生不良后果。
发烧时用液体(如酒精、乙醚等)物理降温,一定要在医生的指导下进行:用何种液体降温,在人体的哪个部位降温,降到哪个温度为止等,都要听医生的,切莫想当然自作主张——特别是对老弱病者与婴幼儿。
游泳或洗澡后易感冒,这是不少人的“习惯病”。其原因是他们完事后没有立即擦干身体,于是皮肤上残留的水蒸发致冷让皮肤表面的温度骤然下降而不能适应。应对的方法是,泳浴之后立即反复擦干全身的水,再立即穿好衣服。
在游泳池中泡一两个小时都不会因为发凉而感冒,但被大雨淋湿之后,如果不及时换上干衣,就很容易感冒,其原因也是身上的雨水大量蒸发时由于蒸发致冷而着凉感冒。所以,被大雨淋湿之后,应立即脱下湿衣并擦干身体,及时换上干衣。
穿上不透气或透气不良的鞋袜,不但因为脚处于特别潮湿的“小气候”(由汗液蒸发引起)中容易患脚气,而且脚特别闷热。脚特别闷热的原因有两个:一般的鞋都是热的不良导体,难以用热传导的方式传递出鞋中产生的巨大热量而无法降温;脚分泌的汗液难以蒸发,从而难以蒸发致冷。所以,一定要穿透气性好的鞋。