升华和凝华导学案

课题4：升华和凝华

【导学目标】

1.知道升华和凝华的概念，知道升华要吸热，凝华要放热。 2.了解生活中的升华和凝华现象，并能用物理的语言进行解释。 【导学重难点】 重点：通过碘的升华和凝华实验培养学生的观察实验能力。通过日常生活中实例的解释，培养学生用物理知识解决实际问题的能力。 难点：通过识别生活中常见的物态变化现象培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。

【导学过程】 一、自主学习 （一）填空题

1．物质从气态直接变成_________态的现象叫做凝华，物质在凝华过程中要_________热。

2．物质从固态直接变成_________态的现象叫做升华，物质在升华过程中要_________热。 3．实验室常用固态二氧化碳（干冰）来获得低温，这是因为二氧化碳在_________时_________热的缘故。

4．用久了的电灯泡壁会发黑，这是因为灯泡内的钨丝_________和_________而形成的。

5．指出下面的物理现象属于物态变化的哪种方式。 (1)萘球过一段时间后会变小。_________ (2 )冰冻湿衣服在0℃以下也会干。_________ (3)沥青马路在太阳照射下熔化。_________ (4)洒在地上的水很快干了。_________

(5)戴眼睛的人从 寒冷的室外进入暖和的室内时，镜片上会出现一层小水珠。_________

(6)寒冷的早晨，窗玻璃上凝结着冰花。_________ （二）选择题

1．以下说法中正确的是() A.水的沸点是100℃

B．水的温度达到沸点时就能沸腾

C．在一个标准大气压时，水的沸点是100℃ D．以上说法都正确

2．在物态变化过程中，放出热的是()

A.凝华、凝固、汽化 B．熔化、凝华、液化

C．液化、凝固、凝华 D．汽化、升华、熔化 3．下列物态变化过程属凝华现象的是 () A.草地上露水的形成 B．夏天冰雹的形成 C．清晨大雾的形成 D．以上都不是

（三）通过自学你有什么收获?有什么疑问 ？课前组内进行交流，以小组为单位将问题展示出来。 二、合作探究

（一）探究碘的升华和凝华，得出升华和凝华的概念。

1.回顾物质的状态及其物态变化，提出问题：物质能否由固态直接变成气态或者由气态直接变为气态？进行猜想。 2.做碘的升华和凝华实验，验证猜想。

观察试管中碘的状态和颜色，思考要让固态的碘的状态发生变化，可采用什么办法。

分组实验，用热水对固态的碘加热，轻轻摇晃试管，观察是否有液体生成，说出观察到的现象。将紫色的碘蒸气用冷水降温，观察碘蒸气的变化，取出冷水中的试管，擦掉试管外的水分，观察试管中是否有碘液体出现。

3.分析实验现象，归纳实验结论，得出升华和凝华的概念及吸放热情况。 （二）联系实际，寻找和分析生活中的升华和凝华现象 1.说出生活中的升华和凝华现象。

2.观察对比新旧灯管，试着解释灯管壁变黑的原因。 3.尝试解释“人造雪景”所包含的物理知识。 4.提出问题，分小组讨论。

问题一：冰箱中的霜是怎样形成的，采用什么办法可以减少霜的形成？ 问题二：霜的形成条件是气温0摄氏度以下，对农作物有害，如何防止？ 问题三：升华吸热凝华放热在日常生活中有哪些应用？ （三）升华吸热凝华放热的应用 1.介绍干冰（即固态的二氧化碳），猜想干冰在生产生活中的应用。

2.查找资料关于人工降雨的过程，思考在云层中抛撒干冰为什么会促成降雨？ 在舞台上撒干冰制造白雾，思考在舞台上撒干冰为什么会出现白雾？ 3.想想议议：如果要给食品降温，你想到了哪些方法？严寒的早晨，窗户玻璃上的冰花，为什么总出现在室内的一面？ 三、达标反馈 1 .寒冷的冬天，公园里冰雕作品的质量会一天一天的减少，这是_________现象。 2.寒冷的冬天，在室外行走的老爷爷眉毛胡子上都挂满了白霜，这是_________现象。

3.固态二氧化碳升华时能够热，所以常用它来使运输中的食品_________，防止食品腐烂变质。

4.冻肉出冷库后比进冷库时重，是由于空气的水蒸气_________成霜着附在冻肉上，所以出库后会使重量稍有增加。

5.在严冬温度较低的时候，窗上可以结冰花，这是水蒸气_________现象。霜应结在玻璃的_________（填：“内”或“外”）侧。

6.装有少量碘的烧瓶，在酒精灯上微微加热后，瓶内固态的碘消失，而充满了紫色的碘蒸气；停止加热，碘蒸气慢慢消失，烧瓶里出现碘粉末颗粒，这个现象说明( )

A.升华、凝华都要吸热B.升华、凝华都要放热

C.升华要吸热，凝华要放热D.升华要放热，凝华要吸热

7.在歌舞晚会上，常用干冰产生的白雾来烘托气氛，舞台上形成的雾是（） A.干冰在常温下迅速升华形成的二氧化碳气体。

B.干冰粉喷洒到舞台上，迅速升华降温，使空气中的水蒸气遇冷液化成小水珠来制造“白雾”以渲染气氛。

C.干冰在常温下迅速升华又凝华而形成的。

D. 干冰使空气中的水蒸气液化形成的小水珠以及小水珠凝固形成的小冰粒。 8.下列各组物态变化过程中需要吸热的是（）

A.升华现象 B．凝华现象 C.液化现象 D．凝固现象

9.金属在高温.低压下比较容易有固态直接变成气态,用此方法可以给照相机、望远镜及其他光学仪器的玻璃镜头进行真空度膜，即在真空环境下将金属或金属化合物加热，使它的蒸气喷到玻璃上，从而度上一层极薄的金属膜，这层膜可以改善镜头的光学性能。这层膜能度上去的原理是（） A.金属粘到玻璃镜头上的

B．金属熔化后粘到玻璃镜头上的

C.金属升华后再凝华时附着在玻璃镜头上的 D．金属凝固到粘到玻璃镜头上的

10.下面这首四季歌，每句属于哪一种物态变化？ 春暖花开冰雪消融，_________ ; 夏日炎炎河水干涸，_________秋意浓浓禾苗露珠，_________ ; 寒冬腊月河水结冰_________。 物理阅读

人体正常体温

正常人体的直肠温度平均为37.3℃，接近于深部的血液温度。口腔温度比直肠温度低0.2～0.3℃，平均约为37℃。腋窝温度比口腔温度又低0.3～0.5℃，平均约为36.7℃。

临床上一般采取从腋窝、口腔或直肠内测量体温的办法。 热力学温度

热力学温标是在热力学第二定律的基础上建立起来的最为科学的温标，过去也叫做开氏温标或绝对温标。由热力学温标定义的温度叫热力学温度。热力学温度的单位是开尔文，简

称开，符号是K。热力学温度是以水的三相点来定义的，规定水的三相点的温度为273.16K。水的三相点是水、水蒸气和冰共存的状态。在标准大气压下，水的冰点实际上是水、冰

、空气的一种混合状态，水的冰点的温度是273.15K，即冰点比水的三相点的温度低0.01K。摄氏温度以冰点为零度。

热力学温度单位开尔文是国际单位制的七个基本单位之一。摄氏度也是国际单位制中的单位，摄氏度与开尔文所表示的温度间隔相等，摄氏温度t与热力学温度T的换算关系是 t＝T－273.15℃。 物质有多少种状态

自然界的各种物质都是由大量微观粒子构成的。当大量微观粒子在一定的压强和温度下相互聚集为一种稳定的状态时，就叫做“物质的一种状态”，简称为物态。在19世纪，人们

还只能根据物质的宏观特征来区分物质的状态，那时还只知道有三种状态，即固态、液态和气态。初中讲物态变化，就是讲这三种常见的物质状态间的变化问题。 气体物质处于高温条件下，原子、分子激烈碰撞被电离，或者气体物质被射线照

射以后，原子被电离，整个气体含有足够数量的离子和带负电的电子，而且一般情况下正负电荷量

几乎处处相等，这种聚集态叫等离子态。如果物质处于极高的压力作用下，例如压强超过大气压的140万倍，组成物质的所有原子的电子壳层都会被“挤破”，电子都变成为“公 有”，原子失去了它原来的化学特征。这些“光身”的原子核在高压作用下会紧密地堆积起来（当然，再紧密也会有电子存在和活动的空隙），成为密度非常大的（大约是水的密

度的3万至6.5万倍）状态，称为超固态。有些书籍把等离子态称为物质的第四态，把超固态称为物质的第五种状态。 进一步从物质的内部结构去考虑，物态就远不止这几种了。例如，在固体物质中，有的其内部微观粒子呈周期性、对称性的规则排列，称为结晶态。而另外一些，如玻璃、沥青等

物质，常温下虽然也有固定的形状和体积，不能流动，但其内部结构则更像液体，称为玻璃态（非晶体）。还有一些有机物质，能够流动，又具有某些晶体的光学特性，是介于液

态和结晶态之间的状态，称为液晶态。很多物质在极低的温度下，会出现电阻消失的现象，称为超导态；在极低的温度下，某些液体的黏滞性会完全消失，叫做超流态。在巨大的

压力下，平时是气体的氢，可以转变为具有金属特性的固态，称为金属氢态。天文学家发现，在宇宙中存在着比超固态密度更大的物质状态，例如组成中子星的中子态，还有密度

更高的超子态、反常中子态、黑洞等等。由于反粒子，如反质子、反电子、反中子等都已被发现，有人预言在宇宙中会存在着全部由反粒子构成的反物质世界，但还没有得到证实

。1998年6月3日，美国发射的航天飞机“发现者”号装载了一台α磁谱仪，期望探测到宇宙空间中可能存在的反物质，其中一个关键部件是由中国科学院电工研究所制造的直径

1200毫米、高800毫米、中心磁感强度为0.1340T的永久磁体。

总之，从物质的内部结构去分析，物态的种类很多，并且随着科学技术的进步，人们对物质世界的认识会继续深入，更多的物态会被发现和被人所认识。 有时同一种物质在某种温度和压力下，有几种不同的物态同时存在，例如水处于密闭的容器中，下部是水而上部是水蒸气，就是液态与气态共存的情形，其他还有固气两态共存、

固液两态共存或固、液、气三态共存的情形。

一般说来，任何一种物质，在温度、压强等发生变化时，都会呈现不同的物态，研究物态变化对于深入了解物质的结构及性质，对于研制新材料及新物质，都具有很大的现实意义 。

自然界里雨雪的形成，是很有代表性的物态变化过程。地面上的水蒸发成为水汽，升到高空与寒冷空气接触，水汽便凝结成小水滴，形成云。当温度下降，而又有凝聚核心的时候

，就会凝结成大水滴下降而为雨。一滴雨点要比云中的小水滴大上几千倍，小水滴一定要在它的体积增加到很大时才会变成雨落下来。如果温度低于0℃，水汽在空中就可能形成雪。 雪是结晶的水。水汽凝华而成的微小晶体叫水晶。当水晶在大气中随着气流上下翻腾，聚集起来变得足够大时，就成为雪花向地面飘落。雪花的形状多为六角形，也有针状、柱状或不规则形状的。某些雪花的直径可大于2.5厘米。雪花的大小取决于温度，温度越低，形成的雪花越小。由于构成雪片的结晶能反射光，所以雪片呈白色。

当过冷水滴碰撞在冰晶（或雪花）上，则成霰，霰在积雨云中随着气流多次升降，不断与雪花、小水滴等合并，形成透明层与不透明层交替的冰块，落到地面，这就是雹。

地表面上的空气中含有水汽，当水汽的含量达到饱和时凝结成水滴，这就是露，如果地表气温降到0℃以下时，则水汽直接凝结为固态，就是霜。 升华和凝华

我国古代的就已有人会利用升华和凝华的方法来提纯一些化学药品，所谓的“炼丹”就是一个例子。具体方法是：把天然的红色硫化汞放在炼丹鼎里煅烧，硫被氧化成二氧化硫，

分离出金属汞；汞又和硫磺化合，生成黑色硫化汞，黑色硫化汞受热后升华，把它的蒸气收入一个容器中冷却凝华，就成了结晶的红色硫化汞。 结晶的红色硫化汞可以说是人类最早通过化学方法制成的产品之一，也是我国古代“炼丹”活动中的一项重要成果。虽然炼丹家在炼丹活动中渗透了迷信的色彩，如把人造红色硫化汞叫做还丹，反复加热升华和凝华后，又叫做九转还丹，还说人吃了它长生不老。这是错误的、骗人的，应该摒弃，但是古代的“炼丹”活动，还是为人类积累了不少有用的知

识，提供了一些化学药物。 有趣的“永动鸭”

商店里曾经出售过一种科学玩具——“永动鸭”，只要你用手把鸭子的头部浸入水中，放开手后，鸭子就会上下摇动，摆动的幅度越来越大，最后它的头部又自动浸入水中，然后

抬头重新摆动起来，因为只要开始时把鸭子的头往水里摁一下，以后鸭子长时间地活动不止，所以人们把它叫“永动鸭”。

鸭子能够不停地活动的关键，就是装在鸭身里的乙醚和杯里的水在起作用。乙醚是一种非常容易蒸发的液体，它的蒸气充满了鸭头和腹部的空腔，当把鸭头摁进水里时，头部的绒

布就被浸湿了，在鸭子不断摆动的过程中，水分蒸发吸收了热量，使鸭子头部的温度下降，玻璃管上部的乙醚气受冷收缩，压强降低了，鸭子肚内的乙醚开始上升，鸭子的重心也

不断提高，摆动越来越厉害，最后鸭子失去平衡，头倒入水中。“饮”一次水，这时玻璃管的下端露出乙醚液面，头部的乙醚重新流回球形的鸭肚里，重心降低，鸭子抬起头来，

又开始摆动??

如果杯子里放的是酒精，由于酒精的蒸发比水快得多，鸭子点头就会更加频繁，好像鸭子也喜欢喝酒似的。 温度计的变革

从五十万年前北京人用火到古腊哲学家亚里士多德提出土、水、空气、火四要素的学说，从古代炼金术的活动到近代科学的初始阶段，人们对热的研究从来没有超过定性的阶段，

人们根据冷暖感觉说：“这是热的”，“那是冷的”，或者“这个比那个热”来表征物体热状态。如果要定量测定温度，首先必须找到某种可以测定的、随温度的变化而均匀地发

生变化的量。最初，人们发现了多数物体的体积是这样变化的，这就是物体的热胀冷缩。

伽利略头一个试图利用气体体积变化来探测温度变化。1603年，他在一盆水里倒竖起一根充满热空气的玻璃管，当管里的空气冷却到室温时，空气的体积缩小，便将水吸入管中，

伽利略就这样制成了他的“验温器”。室温改变时，管里的水位也随着改变。如果房间变暖，玻璃管里的空气就膨胀，将水位压低；如果变冷，空气就收缩，使水位升高。这种“

验温器”最大的缺点是：盆中的水面露在大气里，而大气压是经常变化的，因此，即使温度不变，气压的变化也会改变水位，从而影响温度测定的结果。这种温度计是第一种用玻

璃制成的重要科学仪器。气体温度计对温度的测定，或是依靠气体在不变体积下的压力变化，或是依靠气体在不变压力下的体积变化。由于气体比其他物质在温度增加时更易于膨

胀，因而气体温度计是很精确的。 1654年，托斯卡纳大公费迪南德二世(FerdinandⅡ)发明了一种不受大气压影响的

温度计。这种温度计是在一个球泡上连接一段直管，球泡里封着液体。这种温度计利用液体本身

的胀缩来反映出温度的高低。液体的体积随温度的变化比气体小得多，但由于使用相当大的球泡，并将它装满液体，这样，液体只能通过那根非常细的直管来胀、缩，因此，即使

液体的总体积的变化很小，管中液面的升降还是很明显的。

差不多与此同时，英国物理学家玻意耳(R.Boyce)也完成了基本相同的工作。他头一个发现，人体是有恒定的温度，并且明显高于通常室温。另外，还有人发现，某些物理现象总

是在一定的温度下发生。到了17世纪末，人们已经知道冰的融解和水的沸腾都属于这类现象。

在计温术上最早采用的液体是水和酒精，但由于水太早冻结，而酒精又太容易沸腾，1643年法国物理学家阿蒙顿(G.Amontons)便改用水银，他的测温装置与伽利略的相类似。液体

温度计常用的液体有水银，染色酒精，甲苯和戊烷。 1714年，德国物理学家华伦海特(G.D.Fahrenheit)将费迪南德和阿猛顿的温度计的优点结合起来，把水银封在玻璃管里，利用水银自身的热胀冷缩来指示温度。华伦海特还在玻璃

管上刻上刻度，以便得到定量的温度读数。他将他的实验室所能得到的最低温度，即融化的冰和盐的混合物的温度定为零度，将纯水的冰点定为32°，沸点定为212°。这样定有

两点好处：第一，水保持液态的温度范围是180°，这好像是一个与“度”有关的自然数（正好是半圆的度数）；第二，人体的温度接近于整数100°（华氏98.6°）。这种刻度很

快得到了普遍应用，目前在美国、英国和加拿大依然应用很广，因其刻度细，特别适宜于气象测量和体温测量等日常活动。

人体的正常温度是恒定的。体温只要高出正常值一、二度，就是发烧，人就有明显的不适感。1858年，德国医生冯德利希(K.A.Wunderlich)采用了靠经常测定体温来诊断病情的方

法。几年以后，英国医生阿尔伯特(T.C.Allbutt)发明了“体温计”。这种温度计在储存水银的细管里有一处狭道。体温计放在口里，水银柱就上升到实际温度处，但取出体温计

后，水银柱并不下落，而是在狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温读数。 1730年，法国博物学家列奥未尔(R.-A.F.deR抇eaumur)提议把水结冰到沸腾之间的距离分为80°，这就是列氏温标。1742年，瑞典天文学家摄尔修(A.Celsius)

把两者之间距离分

为100°，这种温标被称为“百分温标”，这种温标的度数称为“百分度”，科学家们在1948年的一次国际会议上，根据华氏温标的先例，把这种温标正式命名为“摄氏温标”，

符号为℃，大多数国家都通用摄氏温标，特别是科学家们，他们觉得摄氏温标用起来方便。

1848年，英国物理学家开尔文(L.Kelvin)根据卡诺（法、L.Carnot）的热理论创立了绝对温标，规定纯水的三相点（水，水蒸气和冰共存的状态）定为绝对温度273.16K，1个大气

压时水的沸点为373.15K，1968年，国际度量衡委员会把开氏温标定为国际温标。 现在通用的有三个温标：华氏温标(°F)，摄氏温标(℃)和开氏温标（K），°F和℃的换算关系为℃=59（°F-32）和°F=（953℃）+32，K和℃的换算关系为K=℃+273和℃=K-273 。

随着温度的改变，金属的许多性质也会随着改变。如体积膨胀，电阻变化，产生的热电动势不同等。利用这些性质作为测量温度的基础可制成各式各样的温度计。双金属温度计是

利用缠在一起的两种不同金属热膨胀的差异来移动温度刻度的指示器；利用导电物质的电阻随温度变化的特性，人们用铂丝制成铂比温度计，它的精确度很高，在903.89K到13.8K

的温度范围内被取作“1968年国际实用温标”基准。工业用铂丝温度计的测量范围为0～650℃，在科学研究中，可用来测量低到－260℃，高到1100℃的温度。利用温差电偶，还可制成一种重要温度计。原理如图41所示，将构成温差电偶的两种金属A、B的一个接头放在待测的温度T中，A，B的另一端点都放在温度T0为已知的恒温物质（如冰水或大气中）。用两根同样材料C的导线将A、B在恒温槽中的一端联到电位差计的补偿电路中去，测量它的热电动势。根据事先标准的曲线或数据，即可知道待测温度T。

图4-1用温差电偶测量温度有很多优点，可在－200～2000℃范围内使用，如测炼钢炉的高温和液态空气的低温，它的灵敏度和准确度很高（可达10～3℃以下），特别是铂-铑热电偶稳定性很高，常用来作为标准温度计；用热电偶能测量很小范围内的温度或微小热量，真空热电偶是一种探测光通量或辐射通量十分灵敏的器件。铂丝温度计和热电偶在测量高温或低温时，远比液体温度计优越得多。

液体温度计

根据所充液体的不同，液体温度计分为水银温度计、酒精温度计、甲苯温度计和煤油温度计。这些液体及其特性如下表所示。

液体温度计中的工作液体是用来感觉温度变化的，所以对它有三个要求：一是液

体存在的温度范围要宽，也就是说它的凝固点要低，沸点要高；二是体膨胀系数要大；三是液体要纯净，不沾污玻璃，不浸润玻璃。

水银体膨胀系数虽小，但它的液态存在温度范围宽；不浸润玻璃（因而毛细管可做得很细，从而补偿了体膨胀系数小的缺点）；在0℃至200℃范围内体膨胀与温度成正比，因而能

做成等分度刻度；水银容易制得纯净，而且水银导热快。

在标准大气压下，水银沸点是356.58℃。沸点随压强增大而升高。水银温度计中水银柱上方充了气，它的测量范围可提高到750℃。水银温度计测不了-38.87℃以下的温度。为了

测更低的温度，必须选用凝固点低的有机液体，如酒精、甲苯等。

有机液体的膨胀系数大，能测量的温度低，如戊烷能测到-200℃。但有机液体容易沾湿玻璃，毛细现象严重，因而毛细管不能做得很细，否则读数很不方便，测量的精度也要降低

。此外，有机液体的比热容大，传热慢。尽管如此，它们在低温范围内仍得到了广泛应用。 体温计

体温计为什么做成三棱柱形？为什么水银泡与上部连接处有一非常细的曲颈？为什么??

这些问题看起来简单，但回答起来却不那么容易，不弄清体温计的构造原理，就很难把问题说清楚。下面就谈谈有关体温计的几个问题。 一、温度计的原理

温度这一概念是建立在热力学第零定律的基础上的。所以温度计的测温原理就是：一切互为热平衡的热力学系统，都具有相同的温度。这样我们就可以选择适当的热力学系统做为

温标。温度可以通过温标的某一随温度发生线性（可认定为线性）变化的参量（如体积、压强、电动势等等），标志出来，这就是温度计。 温度计直接告诉我们的是它自身的温度。由于一切互为热平衡的热力学系统的温度相同，故温度计所测的温度间接地告诉我们待测系统的温度。这就是温度计的原理。

二、体温计的原理与构造特点

温度计的原理也就是体温计的基本原理。然而由于体温计的特殊用途，除了基本原理外，由于它的特殊构造，还涉及其他物理原理。 1.体温计的构造特点

体温计如图4-2所示，上边有35～42℃的刻度，表示测温范围。上部长的一段为三棱柱体，玻璃层厚。中间为细管；下部较短。为水银泡，泡内装满水银。上、下两部之间经一弯曲的、非常细的通道直接连通。另外，在三棱柱的一个侧面上涂有乳白剂。

2.构造特点的理论依据

根据一定质量的液体体积随温度的变化规律为：ΔV/V=β2Δt。其中，V为一定质量液体的体积；ΔV为V的变化量；β为液体体胀系数；Δt（℃）为温度的变化量。由于体温计

中V不大，而β又很小（β=3a=334.1310-6℃-1），因此，为比较准确的测出体温，则要求Δt的微小变化（相对而言），就能被比较明显的指示出来。又因为ΔV=Δl2S（只考

虑上部细管中的水银体变）。Δl为上部水银柱长度的变化量，S为上部水银柱的截面积，所以，Δl2S=β2V2Δt，即：Δl=(βV/S)2Δt。故，只要将上部细管做得足够细时

，βV/S就不很小。当Δt发生微小变化时，就能引起Δl的明显变化。由于Δl与Δt的线性关系，所以人体温度就通过体温计中的Δl的变化而比较明显、准确地显示出来。正因如

此，体温计上部的管做的相当细。同时，也可看出Δl∝V，这样当V比较大时，仍能使Δl发生显著变化。所以下部水银泡的体积相当大。然而不宜太大，太大则使用不方便。这是

其一。

其二，上部的棱为什么是三棱又是圆柱面，且一个侧面涂成乳白色？

在读数时，由于玻璃无色。水银灰呈银白色，但水银柱极细，颜色极难观察到，这就造成了读数困难。为了解决这个问题，把体温计上部做成截面为三角形、而侧面为圆柱面的柱体。这样，利用三棱柱的侧面把从水银柱反射出来的光线在玻璃与空气的交界处发生折射，并且放大，如图4-3所示。原来直径为AB的水银柱，经放大后看上去像A′B′那么大。这里圆柱面起到了凸透镜成虚像的作用。

三棱柱的一个侧面涂上乳白剂，形成了屏，使从背面射入的光线不能透过。同时，使虚像容易观察到，这样读数既容易又准确。

其三，为什么液泡与上部间由一极细的曲颈连接？

曲颈所起的作用如下：当体温计离开人体后，温度下降（体温高于外界气温），液体收缩。由于泡内水银的收缩致使曲颈内的极少量水银被拉断。一旦断开，又由于水银与玻璃间的不润湿关系，断面处的水银柱分别向上下两部分收缩，如图4-4所示。

当然，上部细管中的水银会向下压，但因附加压强的存在不能把上部的水银压下来。根据球形液柱两侧的压强公式可知：（如图4-5所示） pA·pB=2ar1,

pA′2pB′=2ar2

因为r1＞r2，pB=p＇B，所以pA＜p＇A，因此，细端水银会自动向粗端移动，断开处不可能自行连接。基本上保证了体温计离开人体后，不因温度的下降而使水银柱下降。这样体温计指示的读数不变，给使用带来了方便。

由上述也可知为什么使用体温计前，手握上部，液泡向下用力甩一甩。甩的目的是利用惯性使上部的水银下移，与泡内水银接触，以免上下不接触时测温不准。 3.为什么液体用水银而不用酒精之类的物质？

主要原因是酒精之类的液体与玻璃之间有浸润关系。在浸润的情况下，当体温计离开人体后温度下降时，虽然收缩，但不能使液柱断开。这样一来，读数不准，达不到既方便又准确的目的。要想测准体温，除非体温计不离开人体，这显然很不方便，故无人采用。 热膨胀趣例

钢轨的温度每升高1℃，它的长度就会伸长原来长度的10万分之一。钢轨在夏天炎日的照射下，温度可以达到40～50℃，摸上去烫手；在严冬季节，钢轨的温度甚至降到-25℃以下

。如果夏天和冬天温差为50℃，1000千米长的铁路线的钢轨的长度要相差500米。所以，铁路线上的钢轨一般并不是密接的，在铺设时每根钢轨之间都要留有一定的间隙。

各种物质热胀冷缩的程度是不同的。例如铝线遇热，温度每升高1℃，长度会增长原长的一百万分之二十四，即增长0.000024倍，比钢的热胀冷缩程度大得多。如果沿1000千米的铁路线架设一条同样长的铝质输电线，在冬、夏温差为50℃

时，铝线的长度会差1200米，所以夏天架设电线不能绷得太紧。 按热膨胀程度由大到小排列，一些常用材料的热膨胀系数(即温度每升高1℃，长度变化为原长的倍数)为铝(0.000024)、铜(0.000019)、铁(0.000012)、钢(0.000011)、玻璃(0.000009)、铅化玻璃(0.000003)，像牙（接近零）。在工程技术中，必须根据对零部件热膨胀程度的限制，选用合适的材料。例如在福廷气压计中，指示水银液面的标记必须用长度几乎不受温度影响的象牙制作，以保证不同气温时读数的准确。

温标及各种温标的介绍 温标

温度数值的表示方法叫做“温标”。为了定量地确定温度，对物体或系统温度给以具体的数量标志，各种各样温度计的数值都是由温标决定的。为量度物体或系统温度的高低对温

度的零点和分度法所做的一种规定，是温度的单位制。建立一种温标，首先选取某种物质的某一随温度变化的属性，并规定测温属性随温度变化的关系；其次是选固定点，规定其

温度数值；最后规定一种分度的方法。最早建立的温标是华氏温标、摄氏温标，这些温标统称为经验温标。它们的缺陷是温度读数与测温物质及测温属性有关，测同一热力学系统

的温度，若使用摄氏温标标定的不同测温属性的温度计，其读数除固定点外，并不严格一致。经验温标现已废弃不用。为了统一温度的测量，温度的计量工作中采用理想气体温标

为标准温标。规定温度与测温属性成正比关系，选水的三相点为固定点。在气体液化点以下及高温下理想气体温标不适用，由于氦的液化温度最低，因此氦温度计有它一定的优越

性。国际单位制中采用的温标，是热力学温标。它的单位是开尔文，中文代号是开，国际代号是K。 摄氏温标

摄氏温标是经验温标之一，亦称“百分温标”。温度符号为t，单位是摄氏度，国际代号是℃。摄氏温标是以在一大气压下，纯水的冰点定为0℃。在一大气压下，沸点作为100℃

，两个标准点之间分为100等分，每等分代表1℃。在温度计上刻100℃的基准点时，并不是把温度计的水银泡（或其他液体）插在沸腾的水里，而是将温度计悬在蒸汽里。实验表

明只有纯净的水在正常情况下沸腾时，沸水的温度才同上面蒸汽温度一样。若水中有了杂质，溶解了别的物质，沸点即将升高，也就是说，要在比纯净水的沸点更高的温度下才会

沸腾。如水中含有杂质，当水沸腾时，悬挂在蒸汽里的温度计上凝结的却是纯净的水，因此它的水银柱的指示跟纯净水的沸点相同。在给温度计定沸点时，避免水不纯的影响，应

用悬挂温度计的方法。为了统一摄氏温标和热力学温标，1960年国际计量大会对摄氏温标予以新的定义，规定它应由热力学温标导出，即： t=T-273.15

用摄氏度表示的温度差，也可用“开”表示，但应注意，由上式所定义的摄氏温标的零点与纯水的冰点并不严格相等，沸点也不严格等于100℃。 华氏温标

华氏温标是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用这种温标。规定在一大气压下水的冰点为32°，沸点为212°，两个标准点之间分为180等分，每等分代表1°。华氏温度

用字母表示。它的冰点为32°，沸点是212°，与摄氏温标两标准点相对应关系是100180=59，摄氏温度（℃）与华氏温度（°F）之间的换算关系为：°F=95℃+32，或℃=59(°F

-32)摄氏温标与华氏温标的各种温度计，在玻璃管中根据不同的用途，装有不同的液体（如煤油、酒精或水银），由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，而且不同的液

体和温度的非线性关系彼此也不一样，由于测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废弃之列。 热力学温标

热力学温标亦称“开尔文温标”、“绝对温标”。它是建立在热力学第二定律基础上的一种和测温物质无关的理想温标。它完全不依赖测温物质的性质。1927年第七届国际计量大

会曾采用为基本的温标。1960年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单位，简称“开”，用K表示。根据定义，1开等于水的三相点的热力学温度的1/273.16。由于水

的三相点在摄氏温标上为0.01℃，所以0℃=273.15K。热力学温标的零点，即绝对零度，记为“0K”。热力学温标，按照国际规定是最基本的温标，它只是一种理想温标。理想气

体温标由于在它所能确定的温度范围内等于热力学温标，所以往往用同一符号T代表这两种温标的温度。在理想气体温标可以实现的范围内，热力学温标可通过理想气体温标来实 现。

兰氏温标

兰氏温标是美国工程界使用的一种温标。开氏温标以水的三相点为273.16K，兰

氏温标以273.16K作为491.688°R。它们都是从绝对零度起算，所以热力学温标又叫绝对温标。

华氏温度tF与兰氏温度tR的关系是tF=tR-459.67。 国际实用温标

国际实用温标从准确与实用出发，在1927年第七届国际计量大会上决定采用国际温标。由于科学技术不断地发展，工业生产上的需要，国际温标不断修改，目前所采用的国际实用

温标，是1968年国际计量委员会对1948年国际实用温标（1960年修正版）作了重要修改而建立的。1968年国际实用温标选取的方法，是根据它所测定的温度可紧密接近热力学温度

，而其差值应在目前测定准确度的极限之内。1968年国际实用温标在国际实用开耳文温度和国际实用摄氏温度之间是用符号T68和t68来加以区分的。T68和t68之间的关系是：

t68=T68-273.15。T68和t68的单位如在热力学温度T和摄氏温度t中一样仍为开尔文（符号K）和摄氏度（符号℃）。常用的换算公式是T=t+273.15。 理想气体温标

即用任何一种气体，无论定容还是定压所建立的一种温标，在气体压强趋于零时的极限温标称为“理想气体温标”。定义式为T=limT（p）=limT（V）。为统一温度的测量，在温

度的计量工作中采用理想气体温标来实现热力学温标，测温属性是理想气体的压强或体积。规定温度与测温属性成正比关系，T（p）=ap，或T（V）=aV。选水的三相点为固定点，

规定水的三相点温度为273.16K。饱和蒸气压为610.5帕，因此可以得到测温泡中气柱在水的三相点时的压强和体积。理想气体温标用气体温度计来实现，但读数与气体的个性无关

。受气体共性限制，在气体液化点以下及高温下，理想气体温标不适用。由于氦的液化温度最低，且不易在金属（铂）中扩散，所以氦温度计，具有一定的优越条件。

温度测量简史

最早的温度计是意大利科学家伽利略于1593年发明的空气温度计，1612年又发明了液体温度计，误差比空气温度计要小得多。

1709年荷兰物理学家华伦海特用酒精，在1714年用水银作为测温物质制造了比较精确的温度计。他把水、冰和海盐混合物的温度定为零度，把健康人的血液温度（正常体温）定为

另一固定点，期间分为4324=96等分，按照这种分法，水的冰点定为32°，标准大气下水的沸点就是212°，期间正好相差180°。这就是现在所说的华氏温度，直到现在仍有不少

国家使用。

1742年，瑞典天文学家摄耳修斯创立了摄氏温度，这种温度我们非常熟悉。 1848年英国科学家开尔文创立了开氏温标，由国际计量大会命名为热力学温标，这是至今为止最为科学的温标。1K=1℃，0K=-273℃所以摄氏温度与热力学温度T的关系是：

T=t+273(K)。 人体的真实温度 研究表明，人体不同部位的温度是不同的。代表人体真实温度的是心脏和脑部的血液温度，叫基础温度或核心温度（core temperature），记作tc。这个温度无法临床测量。

最接近基础温度的是人体内的肺动脉、膀胱内、食道内和鼓膜处的温度，可近似认为与基础温度相等，这叫局域温度。除了鼓膜外，在日常测量中也是很难测量的。

在日常体温测量中，是测量人体口腔（即舌下）、直肠（肛门内）或腋下的温度，分别记作to、tr和ta。这些部位的温度容易测量，也相当稳定。但这些局部的温度都互不相同，

而且与基础温度有较大的差别，不代表人体的真实温度。不同的人这些温度与基础温度的差别也是不同的。文献报道，口腔温度to平均比肺动脉温度低0.4℃，腋下温度ta平均比

肺动脉温度低0.7℃。传统上人们习惯把口腔温度to作为体温的代表，或称为体温的参照温度，以to=37.0℃作为发烧与否的参照标准。

当然也可以测量皮肤表面的温度（如额头温度）来作为体温参照温度，记作ts。但这样做太粗糙了。因为ts是不稳定、不确定的一个值，我们将在下面介绍皮肤表面红外温度计时

再加以详细解释。

不论我们测量哪一个部位的温度，他们与核心温度tc都有差别，这个温度差别是由人体生理因素形成的，叫做生理差别。 温度测量仪

温度测量仪表是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。

最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于1592年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。当外

界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。

1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32°、沸点为212°、中间分为180°的水银温度计，即至今仍沿用的

华氏温度计。 水银温度计

它是利用水银热胀冷缩的性质而制造的一种测温计。高温可以测到300℃。由于熔点关系，测量-30℃以下的低温时则不能使用。

制造水银温度计，首先应选取壁厚、孔细而内径均匀的玻璃管，经酸洗等过程使管内洁净。一端加热并吹成一个壁薄的球形或圆柱形的容器。水银是在某种特定温度下注入球形容

器与玻管之中，此时水银的温度应比以后所测之最高温度还要高些。然后用火焰将灌满水银玻管的顶端封闭。当水银温度降低时开始收缩，于是在水银柱的上部管内出现一段真空

。温度计的定标分度，首先要确定两个固定标点，作为永不改变的标记。将温度计液泡部分，插入在一标准大气压下正在熔解的冰块中，当水银柱下降至某一处稳定时，刻一记号

作为下固定点。然后再将温度计的整体，置于处在一标准大气压下的水蒸气中，当水银柱上升停在某一位置不动时作一记号为上固定点。此二固定点间的距离，称为基本标距。此

标距的长短与温度计的管径以及液泡的容积有关。将这段标距分成100等分，每一等分即为一度。在下固定点处标0°记号，在上固定点标100°记号。在熔点以下及沸点以上还可

刻同样长的标度。刻在0°以下的标度，称为冷度，刻在0°以上称热度。由于温度计的基本标度被均分为100等分，故称百分温度计，又称摄氏温度计。除摄氏温标外也有采用华

氏温标的，此温标以32°为冰点，以212°为沸点，其中等分180个刻度。华氏温度计用字母F表示。

水银温度计存在一定的缺点，例如，玻璃管的内径不可能完全相同，尽管每个刻度与每个刻度之间的距离相等，但由于管的内径不同，则每刻度之间水银液柱的体积并不相等，因

而造成误差。当玻璃管内水银受热体积膨胀的同时，温度计的玻璃管及液泡部分的玻璃也受热膨胀。结果所读出的只不过是水银膨胀数值与玻璃膨胀数值之间的差数而已。由于水

银的凝固点（-38.87℃）与沸点（356.7℃）的关系，故它的计量只能在这个范围之内，可以测高温。若用以测低温，则必受限制。 有关温度计的介绍

酒精温度计构造与水银温度计相同，唯管内装有含红色染料的酒精。便于观察，此种温度计是用酒精为工作物质。因酒精的沸点（78℃）较低，凝固点在-117℃，因此多用酒精温

度计作测低温物质。

煤油温度计的工作物质是煤油，它的沸点一般高于150℃，凝固点低于-30℃。所以煤油温度计的量度范围约为-30～150℃。因酒精的沸点是78℃，凝固点是-114℃。

酒精温度计能比煤油温度计测更低的温度，但高于78℃的温度它就不能测定了。从中学物理实验室经常要测量的温度范围来看，煤油温度计比酒精温度计更适用。当学生看到温度

计的刻度在100℃，却不加分析地把温度计说成是酒精温度计，这是错误的（酒精温度达到78℃就已经沸腾了，岂能有100℃的温度刻度）。目前中学实验室里所用的装有红色工作

物质的温度计，一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。

高温计测量由物体辐射形成的极高温度（约1000℃以上）用的装置。它用在冶金工业和其他技术部门。由于待测温度的范围不同。高温计的类型亦有多种，如光测高温计，辐射高

温计，电阻温度计及热电偶温度计等。 低温计用来测量极低温度的温度计。管内盛无色酒精及一个哑铃状黑色细小的玻璃棒，用时平放，温度降低时酒精收缩，由表面张力作用使棒下降；温度升高时，此小棒即附着不

动。若再作测定时，可将温度计倒立即可恢复原状。

电阻温度计是利用导体电阻随温度变化而改变的性质而制成的测温装置。通常是把纯铂细丝绕在云母或陶瓷架上，防止铂丝在冷却收缩时产生过度的应变。在某些特殊情况里，可

将金属丝绕在待测温度的物质上，或装入被测物质中。在测极低温的范围时，亦可将碳质小电阻或渗有砷的锗晶体，封入充满氦气的管中。将铂丝线圈接入惠斯通电桥的一条臂，

另一条臂用一可变电阻与两个假负载电阻，来抵偿测量线圈的导线的温度效应。电阻将按下列公式随温度发生变化： R=R0(1+aθ)

式中R是θ℃的电阻，R0是0℃时的电阻，a是常数。比较精确的式子是： R=R0(1+aθ+bθ)

式中b是第二个常数。电阻温度计在-260～1200℃范围内，可作极精确的测定。它适用范围广，远远超出水银温度计。可作测温的标准。 温差电偶温度计利用温差电偶来测量温度的温度计。将两种不同金属导体的两端分别连接起来，构成一个闭合回路，一端加热，另一端冷却，则两个接触点之间由于温度不同，将

产生电动势，导体中会有电流发生。因为这种温差电动势是两个接触点温度差的

函数，所以利用这一特性制成温度计。若在温差电偶的回路里再接入一种或几种不同金属的导线，

所接入的导线与接触点的温度都是均匀的，对原电动势并无影响，通过测量温差电动势来求被测的温度，这样就构成了温差电偶温度计。这种温度计测温范围很大。例如，铜和康

铜构成的温差电偶的测温范围在200～400℃之间；铁和康铜则被使用在200～1000℃之间；由铂和铂铑合金（铑10%）构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上；铱和铱铑（铑50%）

可用在2300℃；若用钨和钼（钼25%）则可高达2600℃。

光测高温计是利用热源辐射的亮度和温度的关系来测量高温的仪器。当光测高温计对着熔铁炉时，从其望远镜（望远镜管内装一红色玻璃滤色镜及一个小灯泡）里看到灯泡的黑色

灯丝及后面炉火的强光。灯丝和电源与可变电阻串接，调节可变电阻的阻值使适当的电流通过灯丝。直到灯丝的亮度与炉火的亮度相同时为止。如果事先在安培表上将已知温度值

刻好，则由安培表的读数就可以直接读出温度的数值。测温时，不需将仪器与被测体接触，因此光测高温计，可用来测很多金属的熔点以上的温度。

全辐射高温计是一种测量高温辐射源的仪器。将来自辐射源的辐射，经凹面镜会聚到一块涂黑的箔片上，此箔片贴在温差电偶上。根据测出的温差电动势，即可知道箔片的温度。

于是从箔片上的温度反映，得知辐射源的温度。 最高最低温度计即“息克斯温度计”。它能指出在测量时间内所达到的最高温度和最低温度，但不能指出确切的时间。管内分别装入水银和无色酒精，由于酒精与水银膨胀系数悬

殊，当温度上升时，酒精膨胀，于是迫使水银挤向毛细管内而上升，上指针亦随之而上升，指示到达最高温度；当温度下降，则水银回流至另一管，将下指针推至最低温度处。

贝克曼温度计也是一种玻璃管里贮有水银的温度计。它的构造特点是在装水银的细管上部，有一个可调节水银量的空泡，通过调节水银的流入量，从而改变可测温度的高低，但整

个管长只允许有几度范围的温度变化。它的用途是能比较准确地测量温度差。刻度可直接读出0.01℃，可估计到0.001℃，相当精确。这一温度计的整个测温范围仅有5℃或6℃，

所以它能测5℃或6℃的温度差。

簧片温度计是在水银面上放一短小的铁棒，当温度变化上升时，水银推棒前进；

温度下降时，水银缩回，而铁棒则留在实际温度所到的最高刻度处。记录最高温度时，将此测温计

横放。如计划再作测定时，可用磁铁将铁棒吸回，或将温度计直立即可。 气体温度计利用一定质量的气体作为工作物质的温度计。用气体温度计来体现理想气体温标为标准温标。用气体温度计所测得的温度和热力学温度相吻合。气体温度计是在容器里

装有氢或氮气，它们的性质可外推到理想气体。这种温度计有两种类型：定容气体温度计和定压气体温度计。定容气体温度计是气体的体积保持不变，压强随温度改变。定压气体

温度计是气体的压强保持不变，体积随温度改变。

定容气体温度计是保持气体体积不变，由气体的压强算出所测温度的一种装置。测温泡（材料由待测温度范围和所用的气体决定）内贮有一定质量的气体（一般装有氦，氢或氮气 ），经毛细管与水银压强计的左臂相连。测量时，使测温泡与待测系统相接触，然后上下移动压强计的右臂M'，使左臂中的水银面在不同的温度下始终保持固定在同一位置0处，

以保持气体的体积不变。当待测温度不同时，气体的压强不同，这个压强可由压强计两臂水银面的高度差h和右臂上端水银面所受的大气压强求得。这样，就可由压强随温度的改

变来确定温度。在实际测量的过程中，还必须考虑到各种误差的影响，例如，测温泡和毛细管的体积随温度的改变，以及毛细管中那部分气体的温度与待测温度不一致等等。因此

，对测量的结果还必须进行修正。

定压气体温度计是保持气体的压强不变，由气体的体积算出所测温度的装置。这种温度计的结构比定容气体温度计复杂，操作和修正工作也麻烦得多，除在高温范围外，在实际工

作中一般都使用定容气体温度计。 温标是怎样定出来的 我们知道，温度计可以用来测量物体的温度，但是温度计上表示温度的标准是怎样定出来的呢？首先定出温标的是德国物理学家华伦海特。他以冰的熔点和水的沸点这两个温度点

作为基点，再以水银温度计来分度。在水银柱上，他把这两个温度点之间分成了180个小格，每一小格是1度，这就是华氏度，以℉表示。然而，他并没有把冰的熔点定为0℉，而

是定成32℉，这样一来，水的沸点就是212℉了。现在，华氏温标仍然在英国、北美洲、大洋洲和南非等国家和地区使用。

温标的第二个定法是1742年瑞典天文学家摄尔修斯提出来的，他所选用的温度计和两个温度点的基点与华伦海特的完全一样，也是冰的熔点和水的沸点，可是，摄尔修斯却把水银

柱均匀地分成100格，每格就是1℃。他把冰的熔点定为0℃，这样，水的沸点就是100℃了。显然，摄氏温标使用起来比华氏温标方便。目前，世界上的大多数国家都使用这种温标 。

三种温度单位及其换算

测量任何物理量都必须首先规定它的单位。测量长度以米为单位，测量时间以秒为单位，测量温度以度为单位。

那么一度又是怎样定出来的呢？这是一个温度标准问题，要确定温度的标准，并不是那么简单的。首先需要解决两个基本问题，即要选取适当的固定点，再要选取合适的温度计并

且进行等分刻度。

1714年德国科学家华伦海特首先选用冰和绿化铵的混合物作为零点，以老式温度计来指示温度。后来他又选用了人们熟知的标准大气压下冰的熔点，定为32度，水的沸点定为212

度，中间等分为180份，每一份就是1华氏度，这就是华氏温标，用℉表示。 1742年，瑞典科学假摄尔修斯和他的助手斯托玛用同样的温度计，选取标准大气压下冰的熔点定为0度，水的沸点定为100度，中间等分为100份，每一份就是1摄氏度，这就是摄氏

温标，用℃表示。 1854年，英国物理学家开尔文指出，只要选定一个温度固定——“水的三相点”，即水、冰、水蒸气三相共存的温度，温度值就会完全可以确定下来，这是因为另一个固定点——

“绝对零度”已经确定下来。把绝对零度到水的三相点温度等分为273.16份，每一份就是1开氏度，这就是开氏温标，用K表示。开始温标的分度间隔和摄氏温标的间隔是一致的。 三种温度的换算关系：

精确的测量表明：零摄氏度（冰点）比水的三相点低0.01度，所以摄氏温度和开氏温度之间的换算关系是：T=tc+273.15K≈tc+273K。 华氏温度和摄氏温度之间的换算关系是：tF=95tc+320F。 三相点以及几种物质三相点的数据 三相点

三相点亦称“三态点”。一般指各种稳定的纯物质处于固态、液态、气态三个相（态）平衡共存时的状态，叫做该物质的“三相点”。该点具有确定的温度和压

强。

物态叫做“相”，通常物质是以三种形态存在，即固态、液态、气态，也可称为固相、液相、气相。物态的变比常叫做相变。或者说，在某一系统中，具有相同物理性质均匀的部分亦称为相。相与相间必有明显可分的界面。例如，食盐的水溶液是一相，若食盐水浓度大，有食盐晶体，即成为两相。水和食油混合，是两个液相并存，而不能成为一个相。又如水、冰和水蒸气三相共存时，其温度为273.16K（0.01℃），压强为6.1063102帕。由于在三相点物质具有确定的温度，因此用三相点作为确定温标的固定点比选汽点和冰点具有优越性，所以三相点这个固定温度适于作为温标的基点，现在都以水的三相点的温度作为确定温标的固定点。

几种物质三相点的数据

“下雪不冷化雪冷” 人们常说：“下雪不冷化雪冷”，而对于这句话的真实含义却模糊不清。有不少人认为在下雪天，天气不冷，而化雪天，天气冷。其实这是一种错误认识。下雪时，小水珠要凝固

成雪花，说明此时的气温低于零度；而化雪时，雪要融化成水，此时气温又必须高于零度。因此，下雪天，气温低；而化雪天，气温要高。

现在让我们来看一下上句话的真实含义。这里所说的“下雪不冷”，是指下雪的过程中和刚要下雪时的气温相比较而言的。随着雪的不断形成，要不断放出凝固热，因此，下雪时

比刚下雪前的气温要略高一点，这正是“下雪不冷”的真实含义。相反，在化雪的过程中，雪融化成水要吸收熔解热，因此，化雪过程中的气温比刚要化雪前的气温要略低一点，

人们感觉较冷，这就是“化雪冷”的真实含义。 晶体与非晶体的熔化和凝固图象

晶体的熔化和凝固图象：物理学中常用图象来描述物质的熔化和凝固。如图4-6所示是萘的熔化和凝固图象。

由图4-6可知：A点开始计时，B点表示t=5min时萘的温度为80℃，此时萘仍全部处于固态。随着时间的推移，萘不断吸收热量，萘吸收的热量全部用于萘的熔化，温度保

持不变，所以萘的熔点是80℃。BC段与时间轴平行，到C点全部熔化成液态。此后，萘继续吸热升温，如CD段所示。从图中看出，B点是80℃固态的萘，C点是80℃液态的萘，BC之间是80℃固液共存状态的萘。 若从D点起停止加热后，液态萘温度不断降低。当降到E点(80℃)时，开始凝固，凝固过程中不断放热，但温度仍保持80℃不变，直到F点全部凝固。以后，固态萘放热，温度才开始下降，即图线中FG段。 非晶体的熔化和凝固

非晶体熔化和凝固时没有确定的温度，熔化时吸热，温度不断上升（见图4-7）。凝固时放热，温度不断下降（见图4-8）。

物质有几种状态

看到这个题目，你一定会毫不犹豫地说，物质有三种状态：固态、液态和气态。其实物质还有第四种状态，那就是等离子态。

我们知道，把冰加热到一定程度，它就会变成液态的水，如果继续升高温度，液态的水就会变成气态，如果继续升高温度到几千度，气体的原子会抛掉身上的电子，发生气体的电离化现象，物理学家把电离化的气体叫做等离子态。

在茫茫无际的宇宙空间里，等离子态是一种普遍存在的状态。宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态。只在那些昏暗的行星

和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。

就在我们周围，也经常看到等离子态的物质。在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹。另外，在地球周围的电离层里，在美丽的极光、大气中的闪

光放电和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态。

除了等离子态外，科学家还发现了“超固态”和“中子态”。宇宙中存在白矮星，它的密度很大，大约是水的3600万到几亿倍。1cm3白矮星上的物质就有100～200kg。为什么呢？

原来，普通物质内部的原子与原子之间有很大的空隙，但是在白矮星里面，压力和温度都很大，在几百万个大气压的压力下，不但原子之间的空隙被压缩了，就是原子外围的电子

层也被压缩了。所有的原子都紧紧地挤在一起，因此物质密度特别大，这样的物质就是超固态。科学家推测，不但白矮星内部充满了超固态物质，在地球中心一定也存在着超固态

物质。

假如在超固态物质上再加上巨大的压力，原子核只好被迫解散，从里面放出质子和中子。放出的质子在极大的压力下会跟电子结合成中子。这样一来，物质的结构就发生了根本性

的改变，原来是原子核和电子，现在都变成了中子。这样的状态就叫做“中子态”。 中子态物质的密度大得更是吓人，它比超固态物质还要大10多万倍。一个火柴盒那么大的中子态物质，就有30亿吨，要用96000台重型火车头才能拉动它。 水的“变身术”

雨、雪的形成，是很有代表性的水的物态变化过程。地面上的水经蒸发成为水蒸气，升到高空中与寒冷空气接触，水气液化凝结成小水滴，形成云。当温度降低，而又有凝聚核心

时，就会凝结成比云中的小水滴大上几千倍的大水滴，下降而成雨。如果温度低于0℃，水蒸气在空气中就可能成雪。 雪是结晶的水，水蒸气凝华而成的微小晶体叫冰晶，当冰晶在大气中随着气流上下翻腾，聚集起来变得足够大时，就成为雪花向地面飘落。雪花的形状多为六角形，也有针状、柱

状或不规则的形状。雪花的大小取决于温度，某些雪花的直径可达2.5cm。由于构成雪片的结晶能向各个方向反射光，所以雪花呈白色。 过冷的水碰撞在冰晶上，就形成霰。霰在积雪云中随气流多次升降，不断与雪花、

小水滴等合并，形成透明与不透明交替的冰块，落到地面上，这就是雹。

地面上的空气含有水蒸气，当水蒸气含量达到饱和时，凝结成水滴，这就是露。如果地表气温降到０℃以下时，则水蒸气直接凝华成固态，这就是霜。 冻豆腐趣谈

豆腐本来是光滑细嫩的，冰冻以后，为什么变得像海绵呢？

豆腐的内部有无数的小孔，这些小孔大小不一，有的互相连通，有的闭合成一个个小“容器”，这些小孔里面都充满了水分。水有一种奇异的特性：在4℃时，它的密度最大，体

积最小；到0℃时，结成了冰，它的体积不是缩小而是胀大了，比常温时水的体积要大10%左右。当豆腐的温度降到0℃以下时，里面的水分结成冰，原来的小孔便被冰撑大了，整

块豆腐就被挤压成网络形状。等到冰融化成水从豆腐里跑掉以后，就留下了数不清的孔洞，使豆腐变得像海绵一样。冻豆腐经过烹调，这些孔洞里都灌进了汤汁，吃起来不但富有

弹性，而且味道也格外鲜美可口。 很早以前，我国人民就已经懂得了冰冻膨胀的原理，并利用它来开采石头。冬天，他们在岩石缝里灌满水，让水结冰膨胀，把巨大的山石撑得四分五裂，很快就能采到大量的石料

。由于水在4℃时的密度最大，体积最小，水温低于4℃时体积反而增大，所以，在4℃时水就不再上下对流了。因此，到了冬季，寒冷地区的江河湖海，表面上虽然结了厚厚的冰

层，但下面水的温度却保持在4℃左右，这就给水生物创造了生存的环境。冰冻也会给人们带来危害，它能把水缸冻破，把自来水管道冻裂??因此，在冬季来临的时候，要及时

做好保暖防冻工作。 蒸发与物体降温 蒸发，是物质由液态变成气态的现象。初三物理课本讲到蒸发时，通过实验表明，蒸发可以使物体温度降低，即①液体蒸发可以使液体本身温度降低；②液体蒸发可以使液体周围

物体的温度降低。下面我们利用分子运动论及内能等概念讨论两个问题：①液体本身温度降低与液体周围物体温度降低的因果关系；②上述两个温度降低的原因，从而加深对概念

的理解。

在学过分子运动论后，我们知道：不停地做无规则运动的液体分子中，总有一些分子的速度大到能够克服液面其他分子的吸引，跑到液体外面去，成为气体分子，液体变为气体，

这就是蒸发。蒸发的过程中，运动速度较大的分子离开液面，实际上带走了一部分内能，液体具有的内能减少，液体温度就降低了。由于液体温度的降低，造成了它与周围其他物

体之间的温度差，要从周围物体中吸收热量，增加分子运动的速度，从而加快蒸发；而液体周围物体的温度较高，则放出热量，致使温度也降低。 根据以上所述可知，先有液体蒸发使其本身温度降低，才致使液体周围其他物体的温度也降低。明白了这个因果关系后，上述两个温度降低的各自原因也就清楚了。

电冰箱的制冷原理与氟利昂 我们知道，要想使电冰箱内的温度下降，就必须想办法不断地把电冰箱内的热量移到箱外来，那么用什么办法呢？我们知道，水在标准大气压下的沸腾温度为100℃，即水在100℃

时就“开”了。在沸腾过程中，水要吸收大量的热量，由液体变为水蒸气。其中“吸收大量的热量变为水蒸气”这一特性对我们很有启发。于是我们找到了一种物质，“氟利昂- 12”，它不像水那样在100℃时沸腾，而是在-30℃左右的低温下就能沸腾汽化，在汽化的过程中也要吸收大量的热量。我们将这种物质作为电冰箱的制冷剂，让这种液态物质在冰

箱的蒸发器内沸腾汽化，吸收箱内的大量热量，使电冰箱内降温。又因氟利昂-12在-30℃左右的低温下就能沸腾汽化，因此电冰箱内的温度就可以降低到很低，例如普通双开门电

冰箱冷冻室的温度可以降低到-18℃以下（即三星级标准）。

为了使汽化后的氟利昂-12还能还原为原来的液体状态重复使用，这一任务是由压缩机及冷凝器来完成的。压缩机通过消耗电能，将汽化后的氟利昂-12压缩成高温、高压蒸汽，并

使这种高温高压的氟利昂-12蒸汽，流经设置在箱体外面的冷凝器，就像暖气片散热一样，将在箱内吸收的热量散发到箱体外面空气中，使制冷剂又变成高温、高压液体，这样作

为制冷剂的氟利昂—12就可以循环使用了。压缩机不断地运转，电冰箱内的热量就会不断地被移到箱体外空气中去，于是就达到了制冷的目的。电冰箱内还设有一个自动控制系统

，通过自行调节这个控制系统，可使箱内保持一定的所需冷藏、冷冻温度。电冰箱外壳内均设有良好的隔热材料，以阻止箱外热量进入箱内。 沸腾的成因

沸腾是一种剧烈的汽化现象，它总伴随着气泡的生长、上升和破裂过程。对于沸

腾的成因，要从分析气泡的变化入手，弄清沸腾的微观机制，对沸腾的成因才能有全面正确的认识 。

我们知道，水中能溶有少量空气，容器壁的表面小空穴中也吸附着空气，这些小气泡起汽化核的作用。水对空气的溶解度及器壁对空气的吸附量随温度的升高而减少，当水被加热

时，气泡首先在受热面的器壁上生成。

气泡生成之后，由于水继续被加热，在受热面附近形成过热水层，它将不断地向小气泡内蒸发水蒸气。泡内除了原有的空气外，又增加了水蒸气，使泡内的压强（空气压与蒸气压

之和）不断增大，结果使气泡的体积不断膨胀，气泡所受的浮力也随之增大。当气泡所受的浮力大于气泡与器壁间的附着力时，气泡便离开器壁开始上浮。 在沸腾前，容器里各水层的温度不同，受热面附近水层的温度较高，水面附近的温度较低。气泡在上升过程中不仅泡内空气的压强随水温的降低而降低，泡内有一部分水蒸气凝结

成水，饱和蒸气压亦在减小，而外界压强基本不变，此时，泡外压强大于泡内压强，于是，上浮的气泡在上升过程中体积将缩小。当水温接近沸点时，有大量的气泡涌现，接连不

断地上升，并迅速地由大变小，使水剧烈振荡，产生“嗡、嗡”的响声。这就是“响水不开”的道理。

对水继续加热，由于对流和气泡不断地将热能带至中、上层，使整个容器的水温趋于一致，此时，气泡脱离器壁上浮，其内部的饱和水蒸气将不会凝结，饱和蒸气压趋于一个稳定

值。气泡在上浮过程中，液体对气泡的静压强随着水的深度变小而减小，因此气泡壁所受的外压强与其内压强相比也在逐渐减小，气泡液与气分界面上的力学平衡遭破坏，气泡迅

速膨胀，加速上浮，直至水面释放出蒸汽和空气，水开始沸腾了。水沸腾时，虽然水温不再变化，但水仍不断地从外界热源吸取热量，这些能量供给液体分子克服液体内部分子间

的引力，逸出液体进入气泡内，气泡内的混合气体质量也在不断增大。若把气泡内的混合气体视为理想气体，则由克拉珀珑方程pV=mμRT,不难看出在p、T一定的条件下，气泡内

气体（气、汽混合体）质量m的增加，也是导致气泡体积变大的又一重要因素。 锅炉爆炸的物理原因

某厂的热水锅炉发生爆炸事故，锅炉房顶被整个掀掉，爆炸威力之大令人毛骨悚

然。据该厂调查报告称，导致事故的直接原因是锅炉工违反操作规程，因为锅炉点火加热前没有加

入“生”水，点火后又擅离职守，结果酿成严重的爆炸事故。那么锅炉爆炸的深层物理原因是什么呢？

原来，罪魁祸首就是锅炉内的凉开水，在日常大气压下，经煮沸过的水，溶于其中的空气全部跑掉，水中缺乏再次沸腾的空气泡。当再次点火加热锅炉时，水温有时上升超过100

℃也不沸腾，成为过热水。过热水是水的一种不稳定状态。在低温过热水内部，虽然由于分子热运动的不规则性，有些地方的分子具有足够能量，可以彼此推开而在液体内形成极

小的气泡，但这种气泡线度很小，仅为分子间距离的几倍。因为凹液面上的饱和蒸气压较小，所以这种极小气泡内饱和蒸气压一般不大于泡外压强，气泡不可能胀大。当过热水温

度远远高于100℃（或高达130℃）以上时，泡内饱和蒸气压迅速达到外界大气压的数值，于是气泡体积急剧胀大，上升和破裂，同时超过热水温度迅速降到沸点释放大量的能量，

这就是暴沸现象，伴随而来锅炉内压强猛然剧增，从而引起锅炉爆炸。由上面分析可知，过热水暴沸现象的发生是很危险的，所以锅炉在加热前，操作规程要求一定要加入适量的

溶有空气的新鲜水，以免造成事故。 夏天如何保证汗腺的正常功能 覆盖着全身的皮肤，是保护机体的天然屏障，在皮肤上布满了大约２００～５００万个汗腺。其中大汗腺分布有腋窝、乳头及阴部的毛根附近处；小汗腺则密密麻麻布满全身皮肤

。汗腺是调节体温的重要装置。炎炎夏日，机体散热主要靠小汗腺来完成。当气温上升到３０℃时，汗腺便开始分泌汗液，气温高于３５℃时，出汗更多，有人统计，一个人在高

温高湿环境下作业时，一昼夜可分泌汗液６０００～８０００mL，同时带走３４８０～４８００kca的热量。如果一个人的汗腺出了问题，如大面积烧伤汗腺被破坏，或其他原因

汗腺发生故障，体内多余的热量就排不出去，影响健康。环境温度高于３５℃，体温会上升，体温超过４１℃时，机体内热量无处散发而导致部分细胞的损害，体温调节中枢会失

去调节能力；如果体温达到４３℃时，人在数小时内会死亡。

你看，汗腺与健康的关系是何等密切。那么，在夏季怎样才能保证汗腺的正常功能呢？

一、预防汗腺疲劳是关键

汗腺分泌的汗液９９％是水分，其余是氯化纳、氯化钾、水溶性维生素及尿素等。夏季天热，出汗过多，这些物质丢失就多，尤其是钠丢失最多，钠能“统帅水兵”，钠丢失太多

就无力“统帅水兵”，而使汗腺不停地分泌汗液，如不及时补充盐分，时间一长，汗腺会发生疲劳，影响正常功能。体内缺少盐分，水分丢失过多，引起水和电解质的平衡失调，

体温调节中枢也会失灵，导致中暑，严重的会危及生命。因此，夏季要注意饮食营养，合理调配膳食，及时补充盐分。平时常吃些新鲜蔬菜和瓜果，补充维生素及矿物质。劳动时

或劳动后多次少量喝些淡盐开水，或清热防暑饮料；西瓜是消暑佳品，享有“天然白虎汤”之美誉，每天吃点大有裨益。同时，做好劳动保护，搞好劳动作业环境的防暑降温工作

，尽量减少出汗。这样，就能防止汗腺疲劳。

二、注意皮肤的清洁卫生三、要经常参加体育锻炼和“三浴”

“三浴”即空气浴、日光浴和冷水浴以及其他多种形式的锻炼，可增加机体的抗热本领，提高机体皮肤的抵抗力和对环境的适应能力，增强汗腺的功能，正常分泌汗液，调节体温

，保护身体健康，愉快地度过三伏盛夏。 低温液体

常用的低温液体有液氮、液氢、液氦等。

液氮是一种无色透明液体，原子量为14，在标准大气压下，它在77.3K沸腾，63.2K凝固。空气主要由氮气和氧气组成，所以液氮在空气液化分离即可获得，可作为制氧的副产品大

量提取。液氮的容器较简单，可在空气中倾注。氮气是一种窒息性气体，在生产和大规模应用中要注意安全，以防止室内缺氧。液氮是一种无毒、惰性、价格低、贮运和使用方便

，并且冷却效率高的低温液体。 在低温实验室中，液氮除直接作为制冷剂外，对更低温度的实验也常提供有益的结果，如固体的冷收缩90%以上是在液氮温度以上完成的。 人体的“空调器”——皮肤

覆盖于人体表面的皮肤是人体最大的器官，柔软而坚韧。一个成年人的皮肤如果摊开来，大约有1.8～2.0 m2，重1kg，平均厚度为1.6mm。皮肤中最薄的是眼皮，约为0.25mm；背

部的皮肤最厚，约为5mm。 皮肤帮助人对外抵御各种侵袭，对内保护器官，从合成维生素Ｄ到排泄代谢废物，功能多达十几项，其中之一就是调节人体的冷暖。

天气温暖时，皮下血管扩张，血液流经时，皮肤把热量辐射散发，以保持体温的恒定。而剧烈运动时，肌肉的活动使释放的热量相当于安静时的10～15倍，要是这些热量不及时散

发出去，就足以使全身的血液沸腾。这时就要紧急开动全身皮肤上的250万个汗腺，结果我们会大汗淋漓，靠汗水的蒸发带走热量。 环境寒冷时，皮下血管收缩，皮肤上出现“鸡皮疙瘩”，形成一个微保温层，尽量减少热量的损失。

皮肤就像一种调节冷热温度的“空调器”。 霜和冰雹的形式

霜是凝附在地面或地面物体表面的白色晶体。它是地面冷却降温到0℃以下，附近空间中水蒸气达到饱和时的凝华物。冰雹形成于特别强盛的积雨云中，这种云层厚度超过5km，云

顶的高度在12km以上，顶部温度达到－30℃至－40℃，甚至更低。有许多雹胚和小冰粒。云下部有一股急剧上升的湿气流，速度在15～20m/s以上，且液态水含量充沛。云顶的雹

胚和小冰粒受重力作用下落，通过零温度层，如果正好落在上升的湿气流中，会与其中的水滴汇合并随气流上升，越过零温度层冻结成冰。上升气流越过零温度层后速度减小，对

冰粒的推力减小，冰粒在重力作用再次下落又穿过零温度层与水滴汇合。如此反复多次，冰粒体积变大，重力增加，形成冰雹，最后落到地面。 雾凇

雾凇俗称“树挂”，是雾和水汽遇冷在树木枝叶上凝结形成的一种气象景观。雾凇分粒状、晶状两种，吉林雾凇与桂林山水、云南石林、长江三峡并称中国四大自然奇观。

在我国吉林市地处长白山脉向松辽平原过渡的地带，横跨松花江两岸。溯松花江而上15km是丰满水电站，冬季江水通过水轮机组，水温升高变暖。江水载着巨大热能，缓缓流过市

区而不封冻。水面蒸发出的水汽使整个江面雾气腾腾，久不消散。沿江长堤苍松林立，杨柳低垂，在一定气压、风向、温度条件下，江面上蒸腾的雾气遇冷形成雾凇。

神奇的干冰

一个钻探队曾遇到了一件怪事：当他们用钻探机往地下打孔勘探油矿时，突然有一股强大的气流从管口喷出，立刻在管口形成一大堆雪花似的”冰”。好奇的勘探队员，像孩子般

高兴地用这些“冰”滚起雪球来了。这下可不得了啦！许多队员的手被冻伤，过

不了多久，许多人皮肤开始发黑、溃烂，这究竟是怎么一回事呢？

原来，那雪花似的“冰”不是由水而是由二氧化碳凝结而成的。这种固体二氧化碳在常温下融化时，能直接汽化为二氧化碳气体，所以很快就销声匿迹，而周围仍旧干干的，不像

冰融化后会留下水迹，因而又名“干冰”。论外貌，干冰和普通的冰确实很相像，只是干冰的温度要比普通冰更低（-78.5°C）。在这样低的温度下，难怪钻探队员的手会冻坏。

干冰的用途可多呢！可以用做强致冷剂；用干冰冷藏鱼、肉之类食品时，运输途中不会弄得到处湿漉漉的；食物在地窖中用干冰冷藏，可以存放更长时间，更奇妙的是，在许多影

片和电视剧中那些云雾燎绕的景象也是干冰的功劳呢！因为干冰在空气中气化形成大量二氧化碳气体，呈现在观众面前的就是一片“白茫茫”的景象。此外，干冰还是人工造雨的

能手呢！

人工降雨的原理 1.如何人工降雨

把天上的水实实在在地降到地面上来，不让它白白跑过去，这就是人工降雨，但更为科学的称谓是人工增雨，有空中、地面作业两种方法。 空中作业是用飞机在云中播撒催化剂。地面作业是利用高炮、火箭从地面上发射。炮弹在云中爆炸，把炮弹中的碘化银燃成烟剂撒在云中。火箭在到达云中高度以后，碘化银剂开

始点燃，随着火箭的飞行，沿途拉烟播撒。飞机作业一般选择稳定性天气，才能确保安全。一般高炮、火箭作业较为广泛。 2.人工降雨的条件

人工降雨是要有充分的条件的。一般自然降水的产生，不仅需要一定的宏观天气条件，还需要满足云中的微物理条件，比如：0℃以上的暖云中要有大水滴；0℃以下的冷云中要有

冰晶，没有这个条件，天气形势再好，云层条件再好，也不会下雨。然而，在自然的情况下，这种微物理条件有时就不具备；有时虽然具备但又不够充分。前者根本不会产生降水

；后者则降雨很少。此时，如果人工向云中播撒人工冰核，使云中产生凝结或凝华的冰水转化过程，再借助水滴的自然碰并过程，就能使降雨产生或使雨量加大。催化剂在云中起

的作用，打个不太确切的比方说，就好像是盐卤点豆腐，使本来不会产生的降水得以产生，已经产生的降水强度增大。 3.人工降雨对人无害

人工降雨的原理是让积雨云中的水滴体积变大掉落下来，高炮人工降雨就是将含

有碘化银的炮弹打入有大量积雨云的4000至5000m高空，碘化银在高空扩散，成为云中水滴的凝聚

核，水滴在其周围迅速凝聚达到一定体积后降落。碘化银由炮弹输送到高空，就会扩散为肉眼都难以分辨的小颗粒。 和巨量的水滴相比，升上高空的碘化银只是沧海一粟，太多了不仅不会增雨反而会把积雨云“吓跑”，所以，在如此悬殊的情况下，人们绝不会感觉到碘化银的存在。 此外，炮弹弹片在高空爆炸后会化成不足30g，甚至只有两三克的碎屑降落地面，其所落区域都是在此之前实验和测算好了的无人区，不会对人体造成伤害，同时，人工降雨已有

一段历史，技术较为成熟，所以对人工降雨人们不必心存疑虑。 从茶杯谈到水表管 一位有经验的主妇，当她把热茶倒到客人的茶杯里去的时候，为了避免杯子破裂，总不会忘记把茶匙放在杯子里，最好是银茶匙。是生活上的经验教会她这个正确的做法的。那么

，这个做法的原理是什么呢？

首先，我们要明白，在倒开水的时候，杯子为什么会破裂。

这原因是玻璃的各部分没有能够同时膨胀，倒到杯子里去的开水，没有能够同时把茶杯烫热。它首先烫热了杯子的内壁，但是这时候，外壁却还没有来得及给烫热。内壁烫热以后

，立刻就膨胀起来，但是外壁还暂时不变，因此受到了从内部来的强烈的挤压。这样外壁就给挤破了，——玻璃破裂了。 你千万不要以为杯子厚就不会烫裂。厚的杯子在这方面来说，恰好是最不可靠的：厚的杯子要比薄的更容易烫裂。这原因很明显。薄的杯壁很快就会烫透，因此这种杯子内外层的

温度很快会相等，也就会同时膨胀；但是厚壁的杯子呢，那一厚层的杯壁要烫透是比较慢的。

在选用薄的杯子或者别种薄的玻璃器皿的时候，有一点不要忘记：不但杯壁要薄，而且杯底也要薄。因为在倒开水的时候，烫得最热的恰好是杯子的底部；假如底太厚的话，那么

，不论杯壁多么薄，杯子还是要破裂的。有厚厚的圆底脚的玻璃杯和瓷器，也是很容易烫裂的。

玻璃器皿越薄，把它加热就越可以放心。化学家就是使用非常薄的玻璃器皿的，他们用这种器皿盛了液体，就直接在灯上烧到沸腾，一点也不怕它会破裂。 当然，最理想的器皿应该是在加热时候完全不膨胀的那一种。石英就是膨胀得非常少的一种材料，它的膨胀程度大约只等于玻璃的1520分之一。用透明的石英造成的厚壁器皿，可

以随意加热也不会破裂。你可以把烧到红热的石英器皿丢到冰水里，也不必担心它会破裂。这一半因为石英的导热度也比玻璃大。

玻璃杯不只在受到很快加热之后才会破裂，就是在很快冷却的时候，也有同样的情形发生，原因是杯子各部分冷缩时候所受的压力并不平均。杯子的外层受冷收缩，强烈地压向内

层，而内层却还没有来得及冷却和收缩。因此，举例来说，装有滚烫果酱的玻璃罐，决不可以立刻放到严寒的地方或直接浸到冷水里面去。 好，让我们再回到玻璃杯里的银茶匙上来，究竟银茶匙是怎样保证杯子不破裂的呢？

玻璃杯的内外壁，只有当开水一下子很快倒进去的时候，受热程度才会有很大差别；温水却不会使杯子各部分受热有很大差别，因此也不会产生强大的压力，杯子也就不会破裂。

假如杯子里放着一柄茶匙，那么会发生些什么情形呢？那时候，当开水倒进杯底的时候，在还没有来得及烫热玻璃杯（热的不良导体）之前，会把一部分的热分给了良导体的金属

茶匙，因此，开水的温度减低了，它从沸腾着的开水变成了热水，对玻璃杯就没有什么妨碍了。至于继续倒进去的开水，对于杯子已经不那么可怕，因为杯子已经来得及略为烫热

的缘故。

总而言之，杯子里的金属茶匙，特别是这柄茶匙如果非常大，是会缓和杯子受热的不平均，因而防止了杯子的破裂的。

但是，为什么说茶匙假如是银制的，就会更好一些呢？因为银是热的良导体；银茶匙要比不锈钢的茶匙吸热更快。你一定知道，放在开水杯里的银茶匙是多么烫手！单凭这一点，

你就已经可以毫无错误的确定茶匙的原料了，钢制的茶匙是不会感到灼手的。 玻璃器壁膨胀不平衡的现象，不但威胁玻璃杯的完整，并且还威胁蒸汽锅炉的重要部分——用来测定锅里水位的表管计。水表管只是一段玻璃管，由于内壁受到蒸汽和锅里沸水的

作用，要比外壁膨胀得多。此外，蒸汽和水的压力更加强了管壁上所受的压力，因此这个管子（水表管）很容易破裂。为了防止它破裂，有时候用两层不同的玻璃管来做，里面一

层的膨胀系数比外面一层小。 关于洗完澡穿不进靴子的故事 是什么缘故使冬天昼短夜长，夏天昼长夜短呢？冬天昼短，和一切别的可见或不可见的物体一样，是由于冷缩的缘故；至于夜长，是因为点起了灯火，暖了起来因此胀长的缘故。

上面这一段不可思议的奇妙论调，是从契诃夫一篇小说《顿河退伍的士兵》那里

引来的，你看了一定会发笑。可是，笑这种说法的人，自己也时常会创造出许多同样不可思议的怪

论来。譬如，常常听到有人说或者甚至在书上读到，说什么洗完澡以后，靴子所以穿不进，是因为“脚给热水烫热膨胀，因此增加了体积”。这个有趣的例子已经变成常见的例子

，而一般人常常做了完全不合理的解释。

首先，大家应该知道，人体在洗澡的时候温度几乎没有升高。在洗澡的时候人体温度升高一般不超过1℃，至多是2℃。人体机能会很好跟四周环境的冷热影响作斗争，使体温保持

在一定的度数。

而且我们的身体温度即使增加了12℃，体积增加得也非常有限，穿靴子的时候是绝对不会觉察到的。人体不管软的硬的各部分的膨胀系数都不超过万分之几。因此，脚板的阔狭和

胫骨的粗细一共只能胀大百分之几厘米。那么，难道普通一双靴子，会缝制得精确到0.01cm，像一根头发那么粗细的程度吗？

但是，事实却的确是这样：洗澡以后靴子的确很难穿进。不过穿不进的原因不在受热膨胀，而是在别的原因，例如充血、外皮肿起、皮肤润湿，以及别的许多根本跟热无关的现象 。

在开水里不熔化的冰块

把一小块冰丢到装满水的试管里去，由于冰比水轻，要想不让冰块浮起，再投进去一粒铅弹、一个铜圆片等等去把冰块压在底下；但是不要使冰跟水完全隔离。现在，把试管放到

酒精灯上，使火焰只烧到试管的上部。不久，水沸腾了，冒出了一股一股的蒸汽。但是，多奇怪呀，试管底部的那块冰却并没有熔化！我们好像是在表演魔术：冰块在开水里并不

熔化??

这个谜的解释是这样的。试管底部的水根本没有沸腾，而且仍旧是冷冰冰的，沸腾的只是上部的水。我们这儿并不是什么“冰块在沸水里”，而是“冰块在沸水底下”。原来，水

受了热膨胀，就变成比较轻的，因此不会沉到管底，仍旧留在管的上部。水流的循环也只在管的上部进行，没有影响到下部。至于下部的水，只能经过水的导热作用才受到热，但

是，你知道水的导热度却是很小的啊。 放在冰上还是冰下

我们烧水的时候，一定把装水的锅子放在火上，不会放到火的旁边。这样做是完全正确的，因为给火焰烧热了的空气比较轻，从四周向上升起，绕着水锅的四周升上去。

因此，把水锅放在火上，我们是最有效地利用了火焰的热量。 但是，假如我们想用冰来冷却一个什么物体的时候，要怎样做呢？许多人根据一向的习惯，把要冷却的物体也放到冰的上面。譬如说，他们把装有热牛奶的锅子放在冰上面。这样

做其实是不适当的，因为冰上面的空气受到冷却后，就会往下沉，四周的暖空气就来占据冷空气原来的位置。这样你可以得到一个非常实际的结论：假如你想冷却一些饮料或者食

物，千万不要把它放在冰块的上面，而要把它放在冰块的底下。 让我们再解释得详细些：假如把装水的锅子放在冰块的上面，那么受到冷却的只有那水的底部，水的别的部分的四周仍旧没有冷却的空气。相反的，假如把一块冰放在水锅的上方 ，那么水锅里的水的冷却就会快得多，因为水的上层冷却以后，就会降到下面去，底下比较暖的水就会升上来，这样一直到整锅水全部冷却为止。从另一方面说，冰块四周的冷却

了的空气也要向下沉，绕过那个水锅。 为什么紧闭了窗子还觉得有风

时常会有这样的情形：房间里的窗子关闭得非常紧密，没有丝毫漏缝，竟仍旧会觉得有风。这好像很奇怪。但是事实上却没有什么可以奇怪的。

房间里的空气几乎没有完全安定的时候。房间里面总有一些看不出的空气流，这种空气流是由于空气的受热或冷却引起的。空气受热，就会变得比较稀，因此也就变得比较轻；受

冷呢，相反的，就会变得比较密，也就变得比较重。给电灯或炉子烧热了的比较轻的暖空气，会给冷空气挤压向上升，升到天花板；而靠近冷窗子或墙壁的比较重的冷空气，就要

向下沉，沉到地板上。

关于房间里面的这种空气流，我们可以利用孩子们玩的气球来观察，在一只气球下面系上一个小物体，使得这个气球不会一直飞到天花板，只能够飘浮在空中，于是，把这只气球

放在熊熊的火炉旁边，它就会受到看不出的空气流带动，在房间里慢慢地旅行起来。首先从炉子旁边升到天花板底下，然后飘到窗子旁边，从那里落到地板上，又回到炉子旁边，

重新绕着房间打圈子。

冬天窗子虽然关闭得非常紧密，房间外面的寒气不可能透进里面来，而我们却仍

旧会感觉有风在吹着，特别在脚下更显著，原因就是这样。 皮袄会给你温暖吗

假如有人一定要你相信，说皮袄根本一点也不会给人温暖，你要怎样表示呢？你一定会以为这个人是在跟你开玩笑。但是，假如他用一连串的实验来证明他的话呢？譬如说吧，你

可以做这样一个实验。拿一只温度计，把温度记下来，然后把它裹在皮袄里。几小时以后，把它拿出来。你会看到，温度计上的温度连半度也没有增加：原来是多少度，现在还是

多少度。这就是皮袄不会给人温暖的一个证明。而且，你甚至可以证明皮袄竟会把一个物体冷却。拿一盆冰裹在皮袄里，另外拿一盆冰放在桌子上。等到桌子上的冰熔化完之后，

打开皮袄看看：那冰几乎还没有开始熔化。那么，这不是说明皮袄不但不会把冰加热，而且还在让它继续冷却，使它的熔化减慢吗？

你还有什么说的呢？你能够推翻这个说法吗？你没有办法推翻的。皮袄确实不会给人温暖，不会把热送给穿皮袄的人。电灯会给人温暖，炉子会给人温暖，人体会给人温暖，因为

这些东西都是热源。但是皮袄却一点也不会给人温暖。它不会把自己的热交给别人，它只会阻止我们身体的热量跑到外面去。温血动物的身体是一个热源，他们穿起皮袄来会感到

温暖，正是因为这个缘故。至于温度计，它本身并不产生热，因此，即使把它裹在皮袄里，它的温度也仍旧不变。冰呢，裹在皮袄里会更长久的保持它原来的低温，因为皮袄是一

种不良导热体，是它阻止了房间里比较暖的空气的热量传到里面去。

在这个意义上，冬天下的雪，也会跟皮袄一样地保持大地的温暖；雪花和一切粉末状的物体一样，是不良导热体，因此，它阻止热量从它所覆盖的地面上散失出去。用温度计测量

有雪覆盖的土壤的温度，知道它常常要比没有雪覆盖的土壤的温度高出摄氏10度左右。雪的这种保温作用，是农民最熟悉的。

所以，对于“皮袄会给我们温暖吗”这个问题，正确的答案应该是，皮袄只会帮助我们自己给自己温暖。如果把话说得更恰当一些，可以说是我们给皮袄温暖，而不是皮袄给我们

温暖。

地脚底下是什么季节

当地面上已经是夏天的时候，地底下，譬如说地面以下3m的地方，正是一个什么季节呢？

你以为那儿也同样是夏天吗？错了！地面上的季节和地底下的季节，并不像我们

平常所想象的那样以为它们是相同的，实际上它们根本不相同。土壤是很难导热的。比方说在列宁

格勒，即使在最严寒的冬天日子里，装在地面以下2m深的自来水管就不会冻裂。地面以上温度的变化，要很久才能够传到地面下很深的土壤，土壤层越深的，这个落后的时间也越

久。举例来说，在列宁格勒州斯卢茨克地方做的直接测量就告诉我们，在3m深的地方，一年里面最暖时间的到来要比地面上迟76天，而最冷时间的到来要迟108天。这就是说，假

如地面上最热一天是七月二十五日，那么在3m深的地下，最热一天要等到十月九日才到来！假如地面上最冷一天是一月十五日，那么在3m深的地下，最冷一天要在五月间才到来！

至于更深的地方，这个落后的时间也就更长。

向土壤进入越深，温度的变化不但要在时间上落后，而且还逐渐减弱，到了某一个深度，还完全停止了变化。在这地方，成年成世纪地都只有同一个固定不变的温度，这就是那个

地方的所谓全年平均温度。巴黎天文台的地窖里，在28m深的地方有一只温度计，这只温度计还是拉瓦锡放在那里的，已经近二百年了，在这样长的一段时间里，这只温度计指出

的温度竟一点也没有变过，始终是同一的温度（摄氏11．7度）。

所以，在我们脚底下的土壤里，从来没有跟我们这儿同样的季节。当我们这里已经是冬天的时候，3m深的地方还只是秋天——还不是地面上有过的那样秋天，而是温度减低更缓和

的秋天；而当我们这里到了夏天的时候，地底下还在过着冬天严寒的尽头呢。 这件事情，对于研究地下动物（例如金龟子的幼虫）和植物地下部分的生活条件，是非常重要的。譬如，各种树木根部细胞的繁殖所以在天冷季节进行，根部的所谓形成组织所以

几乎在整个温暖季节里停止活动，恰跟地面上树干的情形相反，根据上面所说的，我们也就不应该有什么奇怪。 温度计的由来

温度是热学中最重要的概念之一，温度计的出现标志着热学跨入定量科学的第一步。

最早的温度计是1593年伽利略制成的验温器，它由一个玻璃泡和长玻璃管组成，由于受到大气压变化的影响，又无科学的定标，所以很不完善，实际上是一个气体膨胀器。1631年

法国化学家詹2雷伊，把伽利略的长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表

示冷热程度，也因管口未封闭水的蒸发而产生误差。1650年，意大利费迪南二世用蜡封了口，在玻

璃泡中装入染有红色的酒精，并把刻度附在玻璃管上，制成了现代形式的第一支温度计。1658年法国天文学家伊斯梅尔2博里奥制成了第一支用水银作为测温物质的温度计。 此后，人们精力集中在选用测温物质和确定标准点这两个方面。如德国的格里凯曾提出以马德堡地区初冬和盛夏的温度为两个定点温度。佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为

一个定点，牛或鹿的体温为另一个定点。1665年，惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点。1703年，牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度，把人

体温度作为12度等等。

第一支实用温度计，是迁居荷兰的德国玻璃工华伦海特（1686—1736年）制成的。他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为0°F，冰的熔点定为32°F，而人体的温度为96°F

，1724年，他又把水的沸点定在212°F，后人称这一温标为华氏温标。法国人勒奥默（1683—1757年），选用酒精作为测温物质，他通过实验发现，酒精和五分之一的水的混合物

的体积在水的冰点时取1000单位，当它达到水的沸点时体积为1080单位，因此，1730年他制作的酒精温度计采用水的冰点为0°R，水的沸点为80°R，在两个固定点中间分成80等

分，这就是勒氏温标。1742年，瑞典天文学家摄尔修斯（1701—1744年）用水银作测温物质，以水的沸点为0℃，冰的熔点为100℃，其间为一百个等分。八年之后，摄尔修斯接受

了同事施特默尔的建议，把两个定点值对调了过来，这就是至今仍广为使用的百分温标，通常又称为摄氏温标。

18世纪前半期，实用温度计的制作和应用为19世纪热学理论的建立提供了先决条件。

温度计中的液柱是什么

天气冷了，温度计里的红色（或银白色的）液柱，一天天在下降；天气暖了，这液柱又一天天地回升，它能迅速地告诉我们气温的变化。（如图4-9所示）

温度计中的液柱是什么东西？

红色的液柱是酒精，银白色的液柱是水银。

为什么有的温度计里灌酒精，有的温度计里装水银呢？

酒精和水银各有不同的职能，酒精是很“耐寒”的，它在-117℃才会凝结，就是在地球上温度最低的南极洲，酒精温度计也能用。水银就不同了，在-39℃就凝结。水银凝固后，

失去了流动性，即使周围的温度继续下降，水银也不能再指示温度了。在我国东北有些地方，冬季的气温常在-40℃，因此在这些比较寒冷的地方只适宜用酒精温度计。

酒精温度计还有一个优点，就是读数清楚。因为酒精柱的膨胀能力比水银要大几十倍，在同样的温度变化下，酒精温度计中的红色酒精柱（加了红颜色的缘故）比水银温度计里的

银白色水银柱的升降变化要显著得多。 可是，酒精也有个大缺点，就是同样重量的酒精和水银，要使它们的温度升高1℃所花的热量，酒精比水银大得多。使酒精升高（或降低）1℃的热量，大约可以使水银升高（或降

低）20℃。对于同样的温度变化，水银温度计比酒精温度计又灵敏得多。因此在

作科学实验中，或是在测量人的体温时，一般都用水银温度计。水银温度计还有一个优点，就是能

用来测量高温，因为它的沸点高达356.6℃。

除了用水银、酒精作液柱的温度计以外，还有用丙酮、甲醇、苯、乙醚、甘油等物质作液柱的温度计。 反常膨胀现象

自然界存在一些反常膨胀现象，水的膨胀就是这样。由于水在4℃时的密度最大，在4℃以上时，水是热胀冷缩的。但是，在3.98℃以下却会出现冷胀热缩的反常现象，0℃的冰和4

℃时水的体积相比，大约胀大了11%。水结冰时的反常膨胀会使水缸冻裂，流入岩石缝隙的水结冰时甚至会使岩石崩裂。严冬季节，湖泊、河流的表层的水冻结了，但深处却不结

冰。这是因为4℃时水的密度最大。上层的水在温度低于4℃时，体积胀大，密度变小，只能浮在上层，直至结冰。以后，冰下面的水的冷却主要靠传导。由于水是热的不良导体，

深处的水依然保持着4℃，鱼、虾等水生生物便在那里过冬。除了水，还有一些物质也会反常膨胀，例如液态的铁水在凝固时体积要膨胀，这样浇铸的工件便能与模型紧密吻合。

我国古代的铸工就利用铁水的反常膨胀，在巨大的钟体上铸出凸起的经文。 水的反常膨胀特性的研究 一、水的反常膨胀特性的实验

图4-10演示水的反常膨胀的实验种类有多种，但一般学校里都没有这类设备。现在介绍一种简易的实验装置：如图4-10所示，将水放在小烧瓶中，并在橡皮塞中插入温度计及细长玻璃管，管后附一标尺，使水的表面达到玻璃管的中部，然后把烧瓶放在加盐的冰（可用棒冰代）水混合物中，观察烧瓶中水的温度和体积的变化。开始时水的温度很快地下降，玻璃管中水面也下降。当降至4℃以下，则见管中水面反而升高。玻璃管越细现象越明显，若取不到适当的细玻璃管，可用医院里精盐水针的白色透明的细塑料管来代替，只要将针头从橡皮塞下面穿上去，把细塑料管套插在塞头上面的针头上，然后把塑料管拉直固定就行。

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