蒸發(fā)致冷的奧秘

陳梅

請你回答兩個問題

第一個問題：在一個盛水的敞口大容器中放一個盛水的敞口小容器（小容器不能接觸大容器），再用大火不斷加熱大容器的底部，問：小容器里的水會沸騰嗎？為什么？

第二個問題：為什么酷熱時扇扇子能讓人感覺涼爽？

對于第一個問題，也許你將回答：當(dāng)然會啰！大容器中的水先沸騰之后，會把熱量傳遞給小容器中的水，當(dāng)然小容器中的水也就會不斷升溫而沸騰?？墒谴鸢甘牵夯卮疱e誤——小容器中的水不會沸騰，這似乎是一個“意想不到”的答案！為什么呢？

原來，大容器中的水達(dá)到沸騰狀態(tài)，在內(nèi)部與表面劇烈汽化之后，不管怎樣繼續(xù)加熱，都會保持在沸點(diǎn)——例如，對于1個大氣壓下的純水，沸點(diǎn)是100℃，不會升高到100℃以上。為什么呢？因?yàn)橐徊糠炙兂伤魵鈺r，會不斷帶走余下的水的熱量，從而讓水始終保持在沸點(diǎn)。1千克100℃的水蒸氣將帶走2.26×106焦的熱量，這個2.26×106焦/千克稱為水在這種條件下的“汽化熱”。既然大容器中的水始終保持在100℃，那么小容器中的水也就因?yàn)闊醾鲗?dǎo)而始終保持在100℃，無法得到它需要的“汽化熱”而沸騰。

上述大容器表面的水在汽化時帶走熱量的現(xiàn)象，是一種蒸發(fā)致冷現(xiàn)象。因?yàn)檎舭l(fā)不止發(fā)生在沸水表面，還發(fā)生在任何溫度下的任何非密封液體表面，所以非密封液體表面都有蒸發(fā)致冷現(xiàn)象。

對于第二個問題，正確的答案絕不是“扇子會扇來涼風(fēng)”。類似，能讓人感覺涼爽的，也絕不是“電風(fēng)扇吹來涼風(fēng)”或“迎面吹來了涼爽的風(fēng)”。原因很簡單：人體附近的空氣，都是溫度相同的熱空氣。但問題又來了：既然這些熱空氣的溫度相同，那么扇扇子時人為什么會感覺涼爽呢？

主要原因是，快速吹來的熱風(fēng)（熱風(fēng)一詞不是誤用，因?yàn)榭釤釙r到處都是熱空氣）讓汗液加快蒸發(fā)，使蒸發(fā)致冷的效果更強(qiáng)，帶走皮膚表面的熱量更多，讓人感覺涼爽。這里用到的物理學(xué)原理是：快速流動的風(fēng)會加快物體表面的液體蒸發(fā)，加強(qiáng)蒸發(fā)致冷的效果。這里要說明的是，沒有熱風(fēng)（或冷風(fēng)），汗液也會蒸發(fā)，但蒸發(fā)速度更緩慢，蒸發(fā)致冷的效果要弱得多。

無處不在的蒸發(fā)致冷

在很久以前沒有電風(fēng)扇的理發(fā)店里，小師傅拉著繩子來回收放，繩子上面連著掛在天花板上垂下的、用多張報紙糊起來的長寬各有幾十厘米的“土風(fēng)扇”?！巴溜L(fēng)扇”在理發(fā)顧客頭上來回晃蕩產(chǎn)生的風(fēng)，讓顧客感覺涼爽一些。這是蒸發(fā)致冷。當(dāng)然，“土風(fēng)扇”五花八門。例如，用篾條編織成“篾板”，代替上述糊起來的多張報紙。

當(dāng)然，在沒有電或沒有普及用電的時代，我們的先人還有其他的降溫妙招，“土冰箱”就是其一。夏天的食物（例如切開的西瓜）容易腐敗變質(zhì)，把西瓜放在一個冷水盆內(nèi)，再在西瓜切口表面蓋上一條干凈的毛巾，這也是利用蒸發(fā)致冷。原來，冷水會因?yàn)槊?xì)現(xiàn)象沿著毛巾連續(xù)不斷上升到蓋著西瓜的部位，然后蒸發(fā)致冷，造成了西瓜周圍較冷的“小氣候”（可低3℃左右）而保鮮。在停電的日子里，“土冰箱”的確能救急——顯然應(yīng)放在通風(fēng)而且不被陽光直曬的相對涼爽的窗臺等處。

世界上許多國家都有“土冰箱”。例如，在西班牙，就有一種名為“阿里卡拉查”的燒制黏土瓶，在埃及叫“戈烏拉”——一種裝有冷水的、冷水能透過黏土瓶壁慢慢滲透到瓶外的容器。當(dāng)這些冷水滲透到瓶外壁時，蒸發(fā)致冷就降低了瓶內(nèi)冷水的溫度。

把水（酒精或乙醚）抹在額頭上，就會立即感到?jīng)鏊?。在病人發(fā)高燒時，醫(yī)生會在病人手心、額頭、腳心等處抹酒精，采用物理降溫法緊急降溫。這也是蒸發(fā)致冷。

不管春夏秋冬，即使是在比體溫稍低一點(diǎn)的水中游泳，也不覺得很冷。但游完變成“出水芙蓉”之后，如果沒有馬上擦干身上的水，就覺得比較冷或特別冷。這還是蒸發(fā)致冷。

干濕泡濕度計（它和毛發(fā)濕度計大多被電子濕度計取代）的工作原理，同樣是蒸發(fā)致冷——濕泡溫度計指示的溫度，總是比全部暴露在空氣中的干泡溫度計指示的溫度低（原因：由于毛細(xì)現(xiàn)象，水不斷沿紗布上升到濕泡表面，最后蒸發(fā)致冷）；由兩者的溫度之差，就能在該儀器背后的對照表中查出對應(yīng)溫度差下的濕度。如果您沒有這種儀器，又想看到蒸發(fā)致冷的效果，有一個簡單的方法。把水（酒精或乙醚）抹在一支酒精溫度計（不能用體溫表）下端的酒精球處，再對著酒精球吹氣或扇風(fēng)，就會“立竿見影”——它指示的溫度會明顯下降。

空調(diào)與電冰箱等制冷的原理，就是蒸發(fā)致冷。

傳統(tǒng)“三大火爐”重慶、武漢和南京都是沿長江分布的原因，不是因?yàn)闅鉁靥貏e高——例如，武漢七月的平均最高氣溫33℃，僅比濟(jì)南高出0.4℃，而是由于濕度特別大，不利于汗液快速蒸發(fā)，蒸發(fā)致冷的效果不明顯。對同一種液體而言，濕度是影響液體總體蒸發(fā)速度的四大因素之一，另外三大因素是溫度、空氣的流動速度與表面積。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)空氣的相對濕度為零時，氣溫要高于35℃，人們才有熱感；而當(dāng)空氣的相對濕度為80%時，28～29℃時人們就感覺悶熱了。

如果到云貴高原或四川的西昌一帶，你會發(fā)現(xiàn)酷暑時樹蔭下比陽光直曬處涼快得多。其次要原因，是樹木遮蔭讓地面免受陽光直曬；主要原因，是這些地區(qū)濕度較小，樹木會發(fā)生強(qiáng)烈的蒸騰，從而造成劇烈的蒸發(fā)致冷，帶走了大量的熱量。

用口吹氣或用扇子、電風(fēng)扇等扇風(fēng)，可加快冷卻燙開水或粥等液體或含水食品，其原因是快速流動的風(fēng)加速了蒸發(fā)致冷。

如果夏日晚飯后要在院壩乘涼，就要提前給院壩澆水，等水滲入地下和蒸發(fā)殆盡之后，再多次澆水。其原因除了“比熱容”很大的水能直接吸收地面的熱量實(shí)現(xiàn)降溫，還有這些水大量快速蒸發(fā)，迅速完成蒸發(fā)致冷。

阿拉伯人穿著能遮住全身的寬松的長袍，在空氣溫度高于40℃的沙漠中氣定神閑地行走的奧秘之一是，長袍形成的“煙囪效應(yīng)”加快了空氣的流動，讓汗液更快地蒸發(fā)致冷，有難以置信的涼爽之感。endprint

俄羅斯的圣彼得堡和莫斯科冬天的平均氣溫相差不大，但總感覺圣彼得堡比莫斯科冷。原來，莫斯科的平均風(fēng)速僅4.5米/秒，而圣彼得堡平均風(fēng)速達(dá)6米/秒，使面部汗液有更強(qiáng)的蒸發(fā)致冷。

蒸發(fā)致冷在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例是噴灌。夏日的噴灌，不但直接連續(xù)通過熱傳導(dǎo)降低了地表和植物的溫度，還讓植物葉片得到持續(xù)不斷的水滴，這些水滴蒸發(fā)致冷后有利于植物的降溫而抵御酷暑。

蒸發(fā)致冷在科研中也有重要應(yīng)用，其一是用它獲得超低溫，例如用氦3蒸發(fā)致冷曾獲得過0.2K的超低溫。另一個實(shí)例是，應(yīng)用蒸發(fā)致冷獲得的超低溫，實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚。此外，宇宙飛船返回地面時，因?yàn)榕c稠密大氣層高速摩擦，會產(chǎn)生上千攝氏度的高溫而危害航天員，所以都要對返回艙降溫；降溫的三種主要方法之一，也是蒸發(fā)致冷——用高分子材料做飛船的蒙皮，讓它的表面在高溫時熔化之后蒸發(fā)，或升華、分解而汽化，帶走大量的熱。

你要注意的蒸發(fā)致冷

蒸發(fā)致冷在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但也要注意應(yīng)用得當(dāng)，否則將產(chǎn)生不良后果。

發(fā)燒時用液體（例如酒精、乙醚等）物理降溫，一定要在醫(yī)生的指導(dǎo)下進(jìn)行：用何種液體降溫，在人體的哪個部位降溫，降到哪個溫度為止等，都要聽醫(yī)生的，切莫想當(dāng)然自作主張——特別是對老弱病者與嬰幼兒。

吹空調(diào)易感冒的原因，除因室內(nèi)外溫差大造成人體不能適應(yīng)之外，還有一個重要的原因：人在大汗淋漓之時走進(jìn)空調(diào)房，面對空調(diào)冷風(fēng)領(lǐng)略“爽”的感覺，殊不知急劇的冷風(fēng)不但通過熱傳導(dǎo)直接給你降溫，而且還有更厲害的——汗液急速蒸發(fā)致冷帶走了巨大的熱量而“閉汗”感冒。應(yīng)對的方法是，不要把空調(diào)溫度開得過低（一般25℃上下即可），要擦干汗液才進(jìn)空調(diào)房。

游泳或洗澡后易感冒，這是不少人的“習(xí)慣病”。其原因是他們完事后沒有立即擦干身體，于是皮膚上殘留的水蒸發(fā)致冷讓皮膚表面的溫度驟然下降而不能適應(yīng)。應(yīng)對的方法是，泳浴之后立即反復(fù)擦干全身的水，再立即穿好衣服。

在游泳池中泡一兩個小時都不會因?yàn)榘l(fā)涼而感冒，但被大雨淋濕之后，如果不及時換上干衣，就很容易感冒。其原因也是身上的雨水大量蒸發(fā)時由于蒸發(fā)致冷而著涼感冒。所以，被大雨淋濕之后，應(yīng)立即脫下濕衣并擦干身體，及時換上干衣。

穿上不透氣或透氣不良的鞋襪，不但因?yàn)槟_處于特別潮濕的“小氣候”（由汗液蒸發(fā)引起）中容易患腳氣，而且腳特別悶熱。腳特別悶熱的原因有兩個：一般的鞋都是熱的不良導(dǎo)體，難以用熱傳導(dǎo)的方式傳遞出鞋中產(chǎn)生的巨大熱量而無法降溫；腳分泌的汗液難以蒸發(fā)，從而難以蒸發(fā)致冷。所以，應(yīng)穿透氣好的鞋——特別是在夏天。

【責(zé)任編輯】蒲 暉endprint