2022年中考物理專題復(fù)習(xí)之物態(tài)變化：空中古怪的沸騰

空中古怪的沸騰

液體沸騰是地球上司空見慣的現(xiàn)象，但它卻是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過程。當(dāng)裝有液體的容器被加熱后，由于重力的影響，液體中比較熱的部分上升，而比較冷的部分則下降──這就是"對(duì)流"。浮力使氣泡急速上升，因此產(chǎn)生劇烈的"沸騰"。那么太空中的沸騰又是怎樣的呢?

實(shí)際上，物理學(xué)家一直被地球上沸騰液體的復(fù)雜行為所困惑。而弄清沸騰的機(jī)理對(duì)工程技術(shù)人員是很重要的，這不僅僅關(guān)系到咖啡壺，更關(guān)系到宇宙飛船中的動(dòng)力和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

一個(gè)由密歇根大學(xué)和美國(guó)國(guó)家航空航天局的研究人員組成的科學(xué)家小組決定弄清這些問題。從1992到l996年，在航天飛機(jī)所進(jìn)行的5次飛行使命中，他們使用液體氟里昂進(jìn)行了一系列的沸騰實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)了液體在地球與太空軌道上沸騰時(shí)所發(fā)生的一些令人迷惑的不同之處。例如在太空中，液體在無重力條件下沸騰時(shí)不是產(chǎn)生成了上萬的升騰的小氣泡，而是產(chǎn)生一個(gè)在液體中起伏的巨大的氣泡，且不斷奪下其他的小氣泡。多虧了美國(guó)航空航天局對(duì)這一過程的錄像，現(xiàn)在我們?cè)诘厍蛏暇涂梢杂^察到液體這種令人迷惑的古怪的沸騰行為了。

弗朗西斯·基亞拉蒙特博士說："想想看，在這些實(shí)驗(yàn)以前，世界上有誰看到過太空中的沸騰呢?這真是人可思議!"基亞拉蒙特是美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)液體沸騰實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家，他說這一系列太空沸騰實(shí)驗(yàn)已被研究人員視為"經(jīng)典"了。

這些錄像的確十分有趣，但是科學(xué)家研究沸騰問題的熱情絕不僅僅是出于簡(jiǎn)單的好奇。因?yàn)橐坏┝私饬艘后w在太空中是怎樣沸騰的，科學(xué)家就可以制造出更有效的太空艙制冷系統(tǒng)，例如國(guó)際太空站上使用的就是利用氨在液態(tài)和氣態(tài)間轉(zhuǎn)化的空調(diào)系統(tǒng)。太空中的沸騰知識(shí)也將在某一天被用來制造太空站上的發(fā)電站，它用太陽(yáng)光使液體沸騰產(chǎn)生蒸氣，然后通過推動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生電力這樣的研究同樣也將在地球上得到應(yīng)用。因?yàn)槭е丨h(huán)境給科學(xué)家打開了一個(gè)觀察沸騰現(xiàn)象的嶄新窗口，他們可以借此更好地理解沸騰這個(gè)基本的物理現(xiàn)象。

"沸騰現(xiàn)象是如此復(fù)雜，以至于我們對(duì)它的大部分理解是基于經(jīng)驗(yàn)，而不是建立在基本的物理方程之上的。"基亞拉蒙特說，"可是，在失重的太空軌道中，沸騰遠(yuǎn)比在地球上簡(jiǎn)單。失重環(huán)境使對(duì)流和浮力的影響消失，這個(gè)差異可以解釋為什么地球上的沸騰液體的行為與太空中如此不同。它為想解決棘手物理問題的科學(xué)家提供了有力的工具。比如說，如果你試圖研究地球這樣一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，你就需要先研究一個(gè)變量少一些的比地球簡(jiǎn)單的對(duì)象。對(duì)我們來說，太空就可以將研究的問題簡(jiǎn)化。"

當(dāng)液體在太空中被加熱時(shí)，由于沒有重力的作用，液體中比較熱的部分不再上升，而是緊靠著加熱器的表面停留并被繼續(xù)變熱，而遠(yuǎn)離加熱器的區(qū)域則相對(duì)較冷。因?yàn)橹挥幸恍〔糠忠后w被加熱，因此它會(huì)更快地沸騰。但是，由蒸氣形成的氣泡不會(huì)沖出液面，而是結(jié)合成一個(gè)在液體內(nèi)部晃動(dòng)的巨大的氣泡。雖然這些現(xiàn)象用現(xiàn)有的理論就可以預(yù)測(cè)，但要想真正了解整個(gè)過程的細(xì)節(jié)，并尋找末預(yù)測(cè)到的現(xiàn)象，則需要進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人赫爾曼·默特被人們視為微重力沸騰實(shí)驗(yàn)之父，正是他發(fā)明了記錄在錄像帶上的實(shí)驗(yàn)。他說："我們對(duì)許多問題還沒有很好地理解。"默特和其他科學(xué)家曾利用"下降塔"進(jìn)行無重力沸騰的早期研究，即通過讓高塔上的樣品自由下落來實(shí)現(xiàn)幾秒鐘的零重力條件。這些早期實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)在航天飛機(jī)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提供了指南，但這匆忙的一瞥實(shí)在不能與在航天飛機(jī)上長(zhǎng)達(dá)幾分鐘的觀察相比。

這些早期研究的一項(xiàng)重要成果就是制造實(shí)驗(yàn)用的沸騰室的方法，它使科學(xué)家可以看清加熱器的表面以及在那里與加熱器接觸的液體。默特解釋說："這種相互作用就發(fā)生在加熱器的固體與液體的接觸面上，因?yàn)橐后w表面折射的影響，從下面是無法看清楚的。"所以默特用石英制作了一個(gè)底面平滑、堅(jiān)硬透明的沸騰室，然后又給石英覆蓋上一層厚度不到400埃的極薄的金層。這樣它既能夠讓可見光自由穿過，又能像一大塊金子一樣導(dǎo)電。

默特與合作者使用這種裝置得到了一些非常有趣的發(fā)現(xiàn)。例如，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不同，那個(gè)巨大的氣泡有時(shí)漂浮在液體的中心，有時(shí)則附著在與加熱器相鄰的表面。當(dāng)出現(xiàn)后一種情況時(shí)，氣泡將有效地將液體與加熱器隔離起來，使液體不再進(jìn)一步沸騰并導(dǎo)致加熱器的溫度急速升高。而確切地了解發(fā)生這種情形的條件，對(duì)設(shè)計(jì)太空艙系統(tǒng)中依靠沸騰工作的裝置是至關(guān)重要的。默特說："如果比較好地理解了這個(gè)現(xiàn)象，我們就能做出最佳的設(shè)計(jì)。假如還有一些不確定的因素，那就應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計(jì)出更好的實(shí)驗(yàn)去弄清楚它。"

今天，科學(xué)家們還在繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以了解更多的知識(shí)。隨著科學(xué)家對(duì)液體沸騰現(xiàn)象史深入的了解，工程師將會(huì)對(duì)制冷和動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)以便更好地服務(wù)于人類，這不只包括在太空中工作的人，而且也包括生活在地球上的人。

迥然不同的沸騰：這一系列圖片對(duì)地球上和太空中液體的沸騰過程做了比較。由于不存在浮力和對(duì)流的作用太空中沸騰的液體所表現(xiàn)出的行為與地球上迥然不同。

地球上無法獲得的知識(shí)：國(guó)際太空站使用了一種利用氨在液體和氣體間循環(huán)的兩相制冷系統(tǒng).在這個(gè)過程中包含了沸騰現(xiàn)象。工程師在設(shè)計(jì)這個(gè)制冷系統(tǒng)時(shí)利用了從微重力沸騰實(shí)驗(yàn)中得到的知識(shí)。

太空中古怪的沸騰：由于太空中沒有浮力的作用，沸騰產(chǎn)生的蒸氣在停止加熱后產(chǎn)生一個(gè)氣泡浮在液體中。由于表面張力的作用，使許多小氣泡結(jié)合成一個(gè)大的球形氣泡。《科學(xué)世界》

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