第6章 热的现象 6.1 十月铁路在什么时候比较长——夏季还是冬季？
如果你问道：“十月铁路的长度是多少？”你一定会听到这样的答案：“铁路平均长度为640千米，而夏天时则要比冬天长300米。”
这个答案听起来似乎十分让人费解，但事实上它正是合理的答案：如果我们将铁路的长度视为钢轨密接的长度，那么十月铁路在夏天时的长度的确要大于冬天。我们要记住，钢轨会随着温度的升高而膨胀，温度每升高1℃，钢轨平均伸长的长度就为原先的十万分之一。在酷暑季节，太阳常常会把钢轨晒得滚烫，钢轨的温度会升到30-40℃甚至更高，而到了冬天，钢轨的温度则会降至零下25℃甚至更低。我们姑且将冬夏两季钢轨温度的差数看作55℃，然后用铁路长度（640千米）乘以0.00001再乘以55，就可以得出：铁路几乎会变长1/3千米！由此可见，列宁格勒和莫斯科之间的这条铁路——夏天时要比冬天长1/3千米，也就是大约300米。
不过，在这儿并不是说两个城市间的距离变长了，而是说钢轨的总长度增加了。这两者并不能混为一谈，因为铺成铁路的钢轨并非是密接的：每两根钢轨的衔接处，都还留有一定的空隙 23 ，以便于钢轨在受热后还有膨胀的空间。通过计算可以得出，钢轨总长度的增加就在于这些空隙，因此，在炎热的夏天就比寒冷的冬天要长出300米的距离。所以说，事实上十月铁路在夏天要比冬天更长。
图72 在温度极高的天气下，电车轨道也会被胀弯。
6.2 不受处罚的盗窃
在列宁格勒到莫斯科之间的电讯线路上，每年的冬天都会出现几百米电报线、电话线莫名失踪的现象，不过并没有人为此而担心，因为每个人都知道这个盗贼是谁。你也一样很清楚：这个失踪事件的罪魁祸首就是冬季酷寒的天气。上一节我们谈及的钢轨现象，这里也同样适用于电话线。而这两者的区别就在于，铜制的电线在高温下的膨胀程度要大于钢轨，大约为钢轨的1.5倍。不过有一点值得注意：电话线上是没有任何间隙可言的，所以毋庸置疑，列宁格勒与莫斯科之间的电话线，在夏季里要比冬季长约500米。酷寒的气候在每个冬季都会“偷走”500米长的电话线，不过这并不会损害电讯工作的正常进行，等到天气暖和起来，它又会乖乖地把“偷走”的电话线送回来。
然而，如果这种热胀冷缩的现象发生在桥梁上，而不是在导线上，那么后果就不堪设想了。下面我们来看一则1927年12月刊登在报纸上的新闻：
连续几天，整个法国都在遭受着酷寒的袭击，位于巴黎市中心的塞-纳河桥严重受损。桥的铁架在极冷的温度下开始收缩，导致桥面上的砖出现破裂突起的现象。整座桥只好被迫暂停所有交通。
6.3 艾菲尔铁塔的高度
现在，如果有人问你，艾菲尔铁塔有多高，在回答“300米”前你一定要先反问他：
“你说的是在热天还是冷天？”
你现在一定很清楚，这种高度的铁塔，在不同的气温下一定会出现高度不同的状况。高达300米的铁杆，温度每上升1℃，高度就会增加3毫米。同样，艾菲尔铁塔增长的比例也大致如此。炎热的夏天来临时，太阳会把这座铁塔晒得达到40℃，而到了寒冷的阴雨天，它又会降至10℃，酷寒的冬日呢，铁塔可能会跌到0℃甚至零下10℃（当然，巴黎的冬日并不长）。看吧，埃菲尔铁塔一年四季的温度差数大约在40℃以上，这也就表明了，铁塔的高度差约为3×40=120毫米，也就是12厘米。
通过度量计算，我们得知：这座铁塔在温度上的变化，甚至超过了空气的温度变化速度：它先于空气升温，也先于空气降温，当阴冷天突然出现太阳时，空气没来得及感应，它就先起了变化。对这座铁塔高度的度量基于一种叫做“因钢”（由拉丁文invar音译而来，原意为“不变的”）的镍钢丝，它几乎从不受温度的任何影响，长度也从不会发生改变。
正是如此，埃菲尔铁塔在热天里会比冷天里高出一截，这高出的一截是由铁制成的，全长大约为12厘米，不过这段铁实际上根本就一文不值。
6.4 从茶杯谈到水表管
一位合格的主妇在为客人倒热茶时，总不忘往茶杯里放一把茶匙，最好是银质的茶匙，以此防止杯子破裂。她这种正确的做法完全来自于生活的经验。不过，其中的原理又是什么呢？
当然，第一步我们需要弄清楚，为什么在倒开水时杯子很容易破裂。
原因就在于，玻璃的各个部分在受热时不能同时膨胀，往杯子里倒开水时，茶杯的各个角落没能同时被烫热。最先受热的是茶杯内壁，此时外壁还没有被烫热，而内壁已经开始受热膨胀了，这时，没有膨胀的外壁就会受到内壁施加的强烈挤压。在这种挤压下，玻璃就碎了。
你是否认为，厚杯子就不容易被烫裂？事实上，在这方面厚杯子更不可靠，也就是说，厚杯子其实更容易被烫裂。原因显而易见。薄杯子内壁的温度会很快传达到外壁，内外壁的温度就会在短时间内统一，也就能更快地同时膨胀；而厚杯子的传热会慢一些，外壁受热需要花费更长的时间。
我们在选择薄杯子或其他薄的玻璃器皿时，记住这一点：选择薄的杯壁同时，还要选择薄的杯底。原因也很简单：倒热水的时候，最先受热的是杯底，如果底部很厚的话，即便杯壁再薄，杯子也会破裂。比如底部很厚的圆底玻璃杯，它很容易就会破裂。
越薄的玻璃器皿，加热时就越不会破裂。正是基于这个道理，化学家所使用的玻璃器皿都十分薄，他们把各种液体装入这些器皿中，然后直接放在灯上加热，根本不用担心破裂的危险。
不过，如果在加热时能够一点也不膨胀，这种器皿当然是最理想的了。有一种材料的膨胀程度非常小，只有玻璃的十五分之一到二十分之一，这种材料就是石英。由透明石英制成的即便是厚壁的器皿，加热之后也丝毫不用担心破裂 24 。如果你把烧得通红的石英器皿投入冷水中，它照样不会破裂。其中一半的原因都在于石英比玻璃的导热度更大。
玻璃杯的破碎情况不仅发生在突然加热的时候，同样也发生在突然冷却的时候。这也正是因为玻璃杯各部位冷却的时间并不一致，受到的压力不均衡所致。外壁受冷时强烈地向内层施压，而内层还没来得及受冷收缩。比如说，如果一个玻璃杯里装有滚烫的果酱，那么你绝不能立刻把它浸入冷水中，或是放到严寒的地方去。
现在，我们再回到开篇所说的银茶匙，为什么银茶匙可以保证杯子不破裂呢？
只有当我们一下子把开水倒入玻璃杯时，杯子内外壁的受热程度才会出现很大的差别；而温水是做不到这一点的，它不足以产生强大的压力使杯子破裂。那么，如果杯子里有一个茶匙，情况会有什么不同呢？这时，我们往杯子里倒入开水，这个热的不良导体（即玻璃杯）还没来得及被烫热，热的良导体（金属茶匙）就已经分散了一部分热量，所以，沸腾的开水温度降低了，变成了热水，对玻璃杯的威胁也大大减少了。而这时，继续往杯子里倒的热水就不再那么危险，杯子可以慢慢受热了。
总之，在杯子里放上一把金属茶匙是很聪明的做法。特别大的茶匙则更好，它会缓和杯子受热不均的程度，也就避免了杯子破裂。
不过还有一点，为什么银质的茶匙更好呢？因为与一般的不锈钢茶匙相比，银的导热性更好，散热更快。回想一下，自己一定曾经被开水杯里的银茶匙烫过手吧！就这点来看，你也应该可以判断出茶匙的材质，钢制茶匙是不会如此烫手的。
这种玻璃器皿内外壁受热不均、膨胀不平衡的情况，不仅对器皿本身具有危害性，而且也会危害蒸汽锅炉中用来测定水位的表管计。这种表管计实际上是一段玻璃管，在沸水和蒸汽的影响下，其内壁的膨胀程度要远远大于外壁。同时，在水和蒸气的双重压力下，管壁受到的压力还会更大，所以更容易破裂。因此，这种表管计有时需要用两层膨胀系数不同的玻璃管制成，内层要比外层的膨胀系数小。
6.5 关于洗完澡穿不进去靴子的事
为什么夏天昼长夜短，而冬天却昼短夜长呢？实际上，这和其他大部分物体一样，冬天的白昼之所以短，是因为冷缩，而夜长的原因就在于夜间的灯火，它使空气的温度增加了，因此就热胀了。
以上这段怪异的论调，摘自于契诃夫的小说《顿河退伍的士兵》，想必你一定会觉得好笑。然而，仔细一想，你也一定常常得出这种奇思妙想的理论来，不是吗？比如，有些人经常会说，人在洗完澡后穿不进去靴子，那是因为“脚在受热后膨胀了，所以体积增大了”。这种有意思的现象人们早已习以为常，但许多人还是会错误地解释它。
首先应该清楚这一点：洗澡时人体的温度并没有升高多少，通常不会超过1℃，最多也只有2℃。人体机能可以很好地平衡自身温度，几乎不因环境的冷热不同而发生大幅度改变。
另外，即使我们的体温升高了1−2℃，体积增加的范围也十分有限，绝不至于连靴子都穿不进去。人体的各个部位，无论是柔软还是坚韧的，其膨胀系数都小于万分之几，所以，脚部的宽窄和胫骨的粗细基本上只能胀大百分之几厘米。一双靴子即使缝制得再精致，难道能精致到0.01厘米这种头发丝的粗细程度？
不过，这也正是事实：之所以洗澡后很难穿进去靴子，并不是受热膨胀，而是因为其他许多与热无关的原因，比如皮肤润--湿--、充血、外皮肿起等等。
6.6 “神仙显圣”是怎样造成的？
古希腊亚历山大城有一位名叫希罗的机械师，也是希罗喷水泉的发明者，他向我们展示了两种巧妙的机械装置；这也正是埃及祭司曾经用来欺骗人民的“神仙显圣”的秘密所在。
来看图73，图上有一个中空的金属祭坛，祭坛下面的地下室里有一个庞大的装置，用来开启庙宇的大门。这座祭坛设在庙宇门外，当祭坛里点起火时，中空部分的空气就会因为受热而向地下那只瓶子施压，瓶里的水被压向旁边的管子里，然后流入桶里，桶的重量一增加，就会往下落，便带动了整个装置的转动，门自然就开启了（图74）。没有人能想到地下室里还藏着这样一套装置，所以他们就认为真的有“神仙显圣”这回事：每当祭坛里点起火，祭司开始祷告时，庙门就自动开启了……
图73 埃及祭司用来欺骗人民的“神仙显圣”：当祭坛点起火时，庙门自动开启。
至于祭司主导的另一个“神仙显圣”的骗局，我们来看图75。在祭坛点起火之后，空气便受热膨胀，而油箱里的油就会被挤压到两边祭司像的管子里，这时候，油就会自动往祭火上添加……不过，如果祭司偷偷拔掉了油箱上的塞-子，那么就不会有油-流-出来了（受热的空气已经可以从塞-孔中跑出去了）；这一招是祭司偷偷预留下来的，准备对付那些吝啬的祈祷者。
图74 庙宇大门的构造图。一旦祭坛烧起火，这座大门就会自动打开。
图75 另一个“神仙显圣”的骗局：油会自动往祭火上添加。
6.7 不用发动的时钟
之前我们提过“永动”的时钟（见5.20），更确切地说，是不需人力发动的时钟，这种钟是基于对大气压力变化的运用构造而成的。在这里，我们来看看运用热胀原理所构成的这类时钟。
图76展示了这种钟的构造情况。Z1和Z2两根长杆为主要部分，由一种膨胀系数极大的特殊合金制成。Z1贴合在齿轮X的锯齿上，一旦Z1受热伸长，齿轮X就会被轻轻推转。Z2挂在齿轮Y的齿上，而一旦Z2受冷缩短，就会往同一方向带动齿轮Y旋转。齿轮X、Y均装在轴W1上，当轴转动时，外面的大轮就会被推转。大轮边缘处装有许多勺子，当它开始转动时，下部的勺子会把槽里的水银带到上面，然后流向左边的轮子，这个轮子同样也装有勺子。当这些勺子都装上水银后，就会在重力的作用下开始转动，同时带动链带KK的转动（KK绕在K1和K2轮上，K1与大轮都装在轴W2上）；这样，K2轮就带动了时钟的弹簧。
图76 可以自己“发动”的时钟构造。
由左轮流下来的水银，会沿着斜槽R1重新流入到右轮下面，再由右轮的勺子带上去。
如此看来，似乎这个机器是可以运转的，而且只要保证Z1、Z2能够伸缩，它就会一直运作下去。所以，要保证这只时钟不停运作，只要控制四周的温度不断升降就足够了。事实也的确如此，我们根本无需操心这个问题：无论四周的温度如何变化，总会引发两个长杆的伸缩，而时钟的发条也就会被慢慢上紧-了。
我们能将这种时钟称为“永动机”吗？当然不行。虽然这个时钟可以永远走下去，除非它的内部构造出现磨损或损坏——但是，它有一定的动力来源——周围空气的热量；时钟将热膨胀的功一点点贮存起来，然后不断地用来推动指针转动。换句话说，这只是个“不花钱”的动力机，它既不消耗什么，也不需要照料。当然，它并不是凭空而出的——太阳及地面的热能为它提供了最初的动力来源。
图77和78是另一种自发转动的时钟。它主要是甘油带动的，当空气的温度升高时，甘油会膨胀，这就能拉动小重锤往上提，当重锤往下落，这就推动了时钟机构的运作。甘油的凝固点为-30℃，沸点为290℃，所以它适用于广场及其他开阔的场所。只要温度变化的差值达到2℃，时钟就可以运作起来。曾经就有一只这样的时钟被用于实验测量，实验结果很不错：一年内它都保持正常运作，而且在此期间，没有任何人动过它一下。
图77 另一种自发转动的时钟。
图78 自发转动的时钟。底座下装有盛着甘油的蛇形管。
如果我们依据以上原理，制造出一个较大的动力机，这是否是件好事？如果单从“不花钱”的角度来看，似乎是比较划算的，然而计算的结果却令人失望：如果要给一个普通时钟上紧发条，使它足以走上一天一夜，那么要耗费大约1/7公斤米的功。这就相当于1秒钟用600，000分之一公斤米；根据马力和公斤米的转化公式（1马力=75公斤米/秒），一只时钟的功率约为1马力的45，000，000分之一。那么，假定之前第一个时钟的两个长杆或第二个时钟的附件价格为1分钱，想要发动机发出1马力，需要的总资本为：
这么看的话，发动1马力就需要花费50万元，这恐怕与“不花钱”的概念相差甚远吧。
6.8 值得研究的香烟
一支点燃的香烟，两头都在冒着烟（见图79），不过，燃着的那一端冒出的烟是往上升的，烟嘴那端的烟却是往下沉的。这是为什么？都是同一支香烟，难道两端冒出来的烟却不一样？
图79 点燃的香烟，一端冒出来的烟往上升，另一端的烟却往下沉。
当然，烟肯定是一样的，但是，点燃的那端同时也烧热了空气，因此就产生了上升气流，带着烟一起往上升；烟嘴冒出来的烟已经冷却了，自然也就不会上升，而烟粒的重量本就大于空气，所以会往下沉。
6.9 在开水里不熔化的冰块
往一个装满水的试管里丢一个小冰块，为了防止冰块浮起来（冰比水轻），再放一个铅块或铜圆把冰块压在下面，注意不要让冰块完全与水隔离了。现在，如图80所示，把试管放入酒精灯上，从试管上部开始加热。很快，试管里的水沸腾了，蒸汽冒了出来。但是，有一个奇怪的现象：试管里的冰块竟然没有融化！这就像表演魔术一样，冰块在开水里竟然不融化……
图80 试管上部的水已经沸腾，下部的冰块却没有熔化。
谜底是这样的：实际上，沸腾的是上部的水，试管下部的水并没沸腾，而且仍然还是冷水。这其实并不能算作“冰块在沸水里”，而只是“冰块在沸水下面”。因为水会因为受热而膨胀，重量也会随之变轻，因此热水不会沉入试管下部，只会停留在上部。而且，也只有试管上部的水流进行循环，下部的水并没受到影响。下部的水只有通过水的导热才会升温，不过，水的导热度是非常小的，这一点我们很清楚。
6.10 放在冰上还是冰下？
我们在烧水时，一定会把装水的水壶或铁锅放在火上面，而不是放在火旁边。当然，这种做法是完全合理的。因为空气在烧热以后会变轻，而暖空气就会顺着水锅的四周往上升。
所以说，把水锅放在火的正上方，这就使火焰的热量得到了最大限度的利用。
不过，如果我们想要让一个物体迅速冷却的话，应该怎么做呢？人们通常会出于习惯倾向，同一也把物体直接放在冰的上面。比如，人们会把装热牛奶的小锅直接放在冰上，试图让牛奶冷却。这种做法其实是不合理的，因为冰上的空气在冷却后会沉下去，而周围的暖空气就会填补原先冷空气所占据的空间。这样我们就得到了一个有效的结论：要想冷却一些食物或饮料，最好的方法是把它放在冰块的下面，而不是上面。
现在我来给出更详细的解释：如果把装有水的水锅放在冰块上面，那么只有水的底部能受到冷却，其他部分就无法受到冷空气的作用。反之，如果把水锅放在冰块的下方，那么水的冷却则会快多了，因为上层的水在冷却之后会往下沉，而底部温度较高的水就会往上升，整锅水很快就会全部变冷了 25 。与此同时，冰块周围冷却的空气也会绕着水锅沉下去。
6.11 为什么紧闭了窗子还觉得有风？
常常遇见这样的现象：房子里所有的窗户都关得严严实实，看上去密不透风，但房间里仍然会感觉到有风。这似乎说不通，但实际上却是很简单的道理。
房间里的空气是极不安分的。有一些受热或冷却的空气悄悄形成了空气流，在我们看不到的地方流动。受热的空气会变得较为稀薄，重量也会变轻；而受冷的空气则会变得更密，也就更重了一些。比如，有些空气被炉子或电灯烧热了，这些轻的暖空气就会升上去，把冷空气压在下面；而窗户或墙壁附近较冷的空气就会沉下去，落在地板上。
我们可以通过孩子们爱玩的气球来观察房间里的这种空气流。将一个小物体拴在一只气球下面，让这只气球只能在空中飘浮，而不能飞到天花板上去。现在，将气球放在燃烧的炉火附近，看不见的空气流就开始对它起作用了：让它在房间里进行一场缓慢的旅行。气球先从炉火旁边慢慢往上升，碰到天花板，然后向窗户旁飘去，在那儿又重新落回到地板上，回到炉火附近，接着开始进行另一圈同样的旅行。
虽然我们在冬天把窗户关得严严实实，外部的寒气根本无法钻进来，却仍然能感觉到房间里有风在吹，尤其是脚底下更为明显，这一切的原因正在于此。
6.12 神秘的纸片
取一张长方形的薄纸片，按照横直方向的两条中线分别对折一次。展开这张纸，毫无疑问，你看到的那两条折线的交点正是纸片的重心。接下来，将这张纸片放在一个垂直竖立的针尖上，使针尖刚好定在纸片的重心点上。
这时候，纸片可以轻易地在针尖上保持平衡，因为纸片的支撑点正是它的重心。如果此时恰好有一阵微风吹过，纸片很快就会轻轻旋转起来。
最初，我们还看不到这个小玩意有什么新奇的地方。现在，像图81那样，轻轻地将手放在纸片旁边，动作一定要轻柔，不要让手带过去的风吹落纸片。这时，你就发现了奇怪的情形：纸片开始慢慢旋转起来，而且速度逐渐加快。如果你轻轻地把手拿开，纸片又会立即停止旋转；再把手靠近，纸片又转了起来。
图81 纸片为什么会旋转起来？
现在你觉得新奇了吧。在上个世纪七十年代的某段时期，这种现象曾被人们认为是“人体具有某种超自然能力”。这个实验又给神秘教的信奉者带来了希望，他们认为这正是“人体可以发出神秘的力量”这一模糊学说的证明。然而，这个现象的真正原因却十分简单：你靠近的手掌给下部的空气带来了一定的热量，热空气就会往上升，随即碰到纸片，带动了纸片的旋转。这就像是灯上的小纸卷总会不停飘动一样，因为纸片上的折痕使纸片呈现出略微倾斜的状态。
如果你够细心，你就会在实验中发现，纸片总是按照同一个方向转动——从手腕往手指那端旋转。这个道理也很简单。人手各部位的温度并不相同，掌心的温度要高于手指端的温度；越是靠近掌心的地方，就越容易产生稍强一些的上升流，而它对纸片的推动力也就大于手指那端的力 26 。
6.13 皮袄会让你更温暖吗？
如果有人执意要你相信，皮袄根本不会让人更温暖，你会如何表态呢？你可能会想，这个人肯定是在说笑吧。但是，如果他用一系列的实验证实了自己的观点，你又会作何感想？举个例子，你可以自己做一个实验看看。取一只温度计，记下温度计上的数值，然后用皮袄把它裹起来。过了几个小时，你取出温度计一看，你会发现，上面的指数没有发生半点变化。这时候，你会相信皮袄不会让人更温暖了吧。不仅如此，下一个实验还会让你更为吃惊：皮袄甚至还会让一个物体冷却下来。取两盆一样的冰，把其中一盆裹在皮袄下面，另一盆放在外面。等外面那盆冰化得差不多了，你再看看皮袄下面那盆冰——它几乎还没开始熔化！这是否说明了皮袄根本不会有加温功能，甚至还会让物体继续冷却下去？
你还有什么反驳的话要说吗？当然，你已经没有合理的说法可以推翻这个结论了。事实上，皮袄的确不会让人更温暖，不能给穿它的人带去更多的热量。电灯、炉子、人体，这些都会给人带去温暖，因为它们本身就属于热源体。皮袄不会带给我们温暖。它无法传递给我们热，它的作用只是防止我们自己的热量散发出去。正是出于这个缘故，那些温血动物穿皮袄才会感觉到温暖，因为它们的身\_体本就是一个热源。之前实验用的温度计不属于热源，它自己并不能产生热，所以皮袄也无法让它升温。至于那盆冰，因为皮袄属于不良热导体，它可以阻止外部的热量传到里面来，所以放在皮袄里的冰才会更持久地保持低温状态。
从这一点来看，冬日里的皑皑白雪也同样保护了大地的温暖；雪花及所有粉末状物质都属于不良导热体，所以，它可以有效地阻止土地自身热量的流失。你可以用温度计分别测量被雪覆盖的土壤以及luo露的土壤温度，你就会发现，前者比后者的温度要高出10℃左右。农民们对雪的这种保温作用最为熟悉。
总之，至于“皮袄会让我们更温暖吗”这一问题，准确的解释应为：皮袄不能带给我们温暖，它只能帮助我们留住自己的温暖。更确切地来说，实际上还是我们带给皮袄温暖呢。
6.14 我们脚底下是什么季节？
当我们的地面到了炎热的夏季时，脚底下是什么季节？比如说地面下3米深的地方，那儿也是夏季吗？
我想你一定会这么认为！但我要告诉你，你错了！地底下的季节并不像我们想象的那样和地面上是一样的，实际上它们的差别大着呢！土壤是一种不良导热体。举个例子，比如在列宁格勒，即使地面上是极为寒冷的冬季，地底下2米深的自来水管也不会冻裂。地面上土壤的温度变化要想传达到地底深处的土壤，这需要很长一段时间，土壤层越深，这个传达的过程也就越久。我们在列宁格勒州斯卢茨克所做的测量数据就直接证明了这一点：在地下3米深的地方，温度最高的季节要比地面上晚76天，而最寒冷的季节要比地面上晚108天。也就是说，在一年之中，如果地面上的七月二十五日是最热的一天，那么3米深的地下就是十月九日！如果地面上的一月十五日是最冷的一天，那么3米深的地下就得等到五月份才能迎来这天了！如果是更深的土壤层，这个时间差也就会更大。
至于更深的土壤层，温度相差不仅仅体现在时间上，也体现在程度上——时间落后于地面的同时，温差也在逐渐减弱，而且一旦到了某一深度，这种变化就会完全停止。也就是说，某个很深的地方，它的温度是成年成世纪固定不变的，这也正是所谓的“全年平均温度”。在巴黎天文台下面28米深的地窖里，有一只已经放了近两百年的温度计，这还是当年拉瓦锡放在那里的。就在这漫长的两个世纪间，这只温度计的指示值竟然丝毫没有改变过，始终停留在11.7℃。
因此，我们脚底下的地方，从来不会与我们地面上过着同一个季节。当地面上到了酷寒的冬季时，脚下3米深处还在过着秋天——而且不是地面上的那种秋天，是温度变化更缓慢的秋天；当地面上到了炎热的夏季时，脚底下的地方还留在冬天的尾巴上。
如果要研究植物地下部分以及地下动物（比如金龟子的幼虫）的生存环境状况，这件事情就会显得意义重大。比如，植物根部细胞要在寒冷季节里繁殖，根部的构造组织在温暖季节里几乎停止任何活动，恰好与地面上的枝干部分相反等等，从以上的说明来看，这就没什么好奇怪的了。
6.15 纸制的锅
来看图82：在纸锅里面煮鸡蛋！或许你会说，“一旦纸烧了起来，水就会马上浇熄火的。”然而，你可以先用厚纸和铁丝做成一个纸锅，自己来做一个实验。这时候你就会发现，纸锅根本不会燃烧起来。为什么呢？因为，在一个没有密闭的容器里，水只能煮到100℃，也就是水的沸点；锅里的水的热容量相当大，它把纸的多余热量全部吸走，因此纸的热度就无法超过100℃，也就达不到燃点的温度（我们可以用图83所示的小纸盒来进行实验，实验效果会更切合实际）。所以，虽然纸锅下面不断地烧着火，纸也不会被点燃。
图82 鸡蛋放在纸锅里煮。
图83 可以用来烧水的纸盒子。
有些粗心的人会把空壶放在火炉上加热，壶底的焊锡就会被熔化——这种令人懊恼的经验同样也出于这个原理。焊锡达到熔化的温度并不高，只有装入水后再加热，它才不至于烧得温度过高。底部焊接过的锅也同样不能不盛水就直接在火上加热。马克沁式的机关枪也是利用了这一原理：正是水阻止了枪筒的熔化。
我们可以进行另一个实验。用卡片纸做成一个纸盒，再放入一个锡块加热，使它在纸盒子里熔化。注意，火焰必须刚好点在纸盒与锡块接触的位置。锡块是一种良性导热体，所以它会迅速吸走纸上的热量，不让纸的温度超过锡的熔点（335℃），当然，这个温度还不足以使纸盒燃烧起来。
以下图84的实验也很容易进行。取一根铁杆（铜杆更好）或一枚粗的铁钉，再裁一块细长的纸条，把纸条像螺丝一样紧紧地绕在上面，然后放到火上烧。你会发现，不管你用多大的火焰去烧这纸条，在铁钉烧红以前，纸条是不会先燃烧的。原因很简单：铁钉（或铜杆）是极好的导热体；如果用导热度差的玻璃棒来进行这个实验，那肯定就会失败了。
图85的实验与图84相仿，是在一把钥匙上紧紧绕上棉线，然后放在火焰上。
图84 不会燃烧的纸条。
图85 不会燃烧的棉线。
6.16 为什么冰是滑的？
与普通地板相比，擦得光亮的地板更容易让人滑倒。由此来看，冰上的状况也是同样，只是表面光滑的冰比坑洼不平的冰要更滑。
然而，如果你在这种坑洼不平的冰上拖过载满重物的雪橇或滑雪板，你就一定知道，在这种冰面上拖雪橇，要比在光滑的冰上更加省力。换句话说，与光滑的冰面比起来，不平的冰面反而更滑！对此的解释是：这里的滑性并不在于冰面的光滑，而在于其他方面的原因——当压强增大时，冰的熔点会降低。
我们来仔细分析一下，当我们在滑雪橇或溜冰时，具体会发生一些什么样的情形。我们踩着溜冰鞋站在冰面上时，与冰面接触的只有鞋底冰刀的刃口部分，我们整个身\_体的重量就支撑在这么小的面积上——总共只有几平方毫米。如果你回想起第二章里谈及的压强问题，你就会明白，溜冰时人体对冰面施加了极大的压强，因为我们的全部体重就压在这么小的面积上。那么，在这种极大的压强作用下，即使在低温环境中，冰也能够融化。譬如，如果冰的温度为-5℃，那么冰刀施加于冰的压力会使冰的熔点降低5℃以上，显然，这部分冰就会熔化 27 。现在，冰刀的刃口在接触冰面时产生了薄薄一层的水，而溜冰的人自然就能更自由地溜了。当我们滑到别的冰面上时也同样，凡是我们经过的地方，冰刀刃口下的冰就会化成一薄层水。在现有的所有物体形态中，冰的这种性质是独一无二的，因此，它曾被物理学家称作“自然界唯一滑的物体”。别的物体只是表面光滑，却不具有这种“滑性”。
我们现在回到本节的话题上：究竟是光滑的冰面更滑，还是低洼不平的更滑。方才我们已经清楚了，当同一个重物压在冰面上时，越小的受压面积就会产生越大的压强。那么，溜冰的人是站在光滑的冰面上施加给支点的压强更大，还是在不平的冰面上施加的压强大？当然是后者。如果冰面不平，那么人在冰面上的支撑面积就只有几个凸点。冰面受到的压强越大，冰熔化的速度就越快，所以，溜起来也就更滑（这一解释只适用于刀刃较钝的冰刀，并不适用于刀刃锋利的冰刀，因为锋利的刀刃会割进冰里去，而在这种情况下，能量就会耗费在切割的动作上）。
极大的压强作用可以降低冰的熔点，这一道理也适用于日常生活中许多其他现象。比如，把两块冰叠在一起用力挤压，就会合成一整块。孩子们在雪天里捏雪球也是利用了这种特性，雪花在挤压的作用下降低了熔点，有一部分雪就会熔化，而一旦放开手，它又重新冰冻了起来。在雪地上滚雪球也是同一道理：因为雪球本身的重量，使它下面的雪暂时熔化了，然后又冻结起来，把更多的雪粘在上面。现在你明白了，为什么在十分寒冷的冬天，雪花只能捏成松松的雪团，而雪球也很难滚得非常大。街道上的雪被来来往往的人群踩踏之后，会逐渐冻结成坚硬的冰，而路面的雪片就会变成一整片冰层，这也都出于同样的原因。
6.17 冰柱的题目
在某些时候，我们常看见屋檐边垂下来一根根冰柱，那么，你可曾想过这样的问题：这些冰柱是如何形成的？
先来看这样的问题：在什么样的天气里可以形成这种冰柱呢？是温暖的日子，还是酷寒的天气？如果是在0℃以上比较温暖的天气下，它又怎么可能冻结成冰柱？如果是在酷寒的日子里，而且屋子里也没有生火，雪也不会熔化，那形成冰柱的水又是从哪儿来的呢？
现在你明白这个问题不是那么简单的了。冰柱的形成必须同时具备两个条件，也就是两种温度，一是可以使雪熔化的温度，即0度以上的温度；二是可以使雪水结冰的温度，即0℃以下的温度。
事实也的确如此：倾斜的房顶上堆积的雪花，在太阳光的照射下，温度升到了0℃以上；熔化的雪水顺着屋顶流下来，在屋檐上又冻结成冰，因为屋檐处的温度在0℃以下。（这里要注意，我们说的冰柱当然不是室内温度造成的冰柱。）
我们来想象这样一幅场景：天气晴好，阳光充沛，气温只有零下1—2℃。四周所有的一切都沐浴在阳光下。然而，地上的积雪并没有因为斜射过来的光线而熔化。这里我们应该注意，太阳光照射在倾斜的屋顶上的角度，几乎是接近直角竖直射下来的，而不像对地面的射角那么偏斜。我们都知道，太阳光线与照射平面所成的角度越大，平面吸收的热量也就越大，温度升高的程度就越大。（阳光对物体的晒热作用，与这个角度的正弦值呈正比关系；如图86所示，屋顶的雪吸收的热量是地面的雪的2.5倍，因为sin60°约是sin20°的2.5倍。）正是因为这一点，屋顶上的雪才会被晒得更热，也就比较容易熔化成水，顺着屋檐往下流。但是，屋檐下面的温度是小于0℃的，同时，水滴在蒸发作用下自然会冷却凝结起来，然后上面的雪水会继续流下来，流到已经冻结的冰滴上一起冻结起来；这样就慢慢形成了一个个小冰球。而雪水继续往这个冰球上面流，冰球就逐渐加长，形成一个个冰柱挂在屋檐下。就是出于这样的原因，那些不生火的房屋屋檐下常常就形成了这种冰柱。
图86 屋顶上的雪比平地上的晒得更热。（图上数字表示的是太阳光线与照射平面所成的角度。）
有些大范围的现象也可以用同样的理由来解释。比如，一年四季的温度差别以及不同气候带的区别，基本上大多都与太阳光的照射角度有关 28 。在夏天和冬天两个季节里，太阳离我们的距离几乎是相等的；在赤道以及两级地区，太阳的距离也相差无几（这个差度基本上不起作用，通常可以忽略）。然而，赤道上太阳照射地面的光线，要比两极地区更加陡直；同时，夏季时的角度也会大于冬季。正是由于这一点，白日里的温度才会形成这么显著的变化；换句话说也就是，整个自然界的某些显著变化，都是源于这一原因而形成的。
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