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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273.15度,记为-273.15c。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 c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


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