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第5章 热的学问(2)

经过罗克萨尔等人的研究,现在对“莱顿弗罗斯特现象”是这样解释的:当第一滴小水滴落到灼热金属表面时,由于弹性作用它会向上反弹,同时在接触高温表面的一瞬间,水滴表面一薄层被迅速汽化,形成了一个厚约01毫米的蒸气层。这层蒸气一方面支持住小水滴,使之悬浮在金属板上,另一方面又起了绝热作用,使金属表面的热量不能很快传递给水滴,从而延缓了整个水滴的汽化过程。当第二滴水滴落到金属表面时,由于自然冷却和第一滴水的冷却作用,表面温度已没有最初时那么高了,因此,第二滴水滴表面的水蒸气层就没有那么厚。由于水蒸气的导热性能比水要差很多,因此水蒸气层的厚薄对水滴的汽化影响很大。第二滴水表面的水蒸气层较薄,所以它的汽化就加快了,以后落下去的水滴表面的水蒸气层更薄,所以它们的汽化更快。

勾践古剑

相传春秋战国末期有一个着名的相剑家,他看到越王勾践所藏的宝剑时大为震惊,称之为无价之宝。但是,越王勾践剑后来失传了。1965年,在湖北省发掘楚墓时发现了两把寒光闪闪的宝剑,其中一把剑的剑身上铸有“越王勾践自作用剑”八个字。这两把宝剑在地下埋藏了两千多年,至今依然光彩夺目,非常锋利,毫无锈蚀,真可谓是无价之宝。勾践剑在国外展出时产生了很大的轰动,世界各地的青铜器考古专家都竞相赞叹,中国在两千多年前就能制造出如此高级的宝剑,真是了不起。

这两把珍贵的宝剑在地下埋藏了两千多年,当它们重见天日的时候,为什么还是那么锋芒毕露呢?这些古剑的成分是青铜,即铜和锡的合金。炼剑的合金成分十分重要,纯铜很软,不能做兵器,可是铜中加锡多了虽然硬,但变脆,一击就断。要做到既坚韧又锋利,非得研究铜锡的合理配比不可。春秋战国时期,我国古代工匠在长期的铸剑实践中,已经积累了许多青铜制品的配比经验。古剑是把铜和锡按一定的比例熔融后浇铸而成的,再经过研磨,使它锋利。越王勾践剑的刀口磨得非常精细,可与目前精密磨床加工得到的产品相媲美。

经检验,越王勾践剑剑身上的黑色菱形格子花纹及黑色剑格,是经过硫化处理的,也就是用硫或硫化合物和金属表面相互作用,使之形成一个薄薄的保护层(硫化层),并且还含有别的元素。这种处理方法,使宝剑既美观,又增强了抗腐蚀性能。到了秦始皇时期,剑的表面处理技术又有了新的提高,采用了防腐能力非常强的铬盐氧化法,即用铬盐作氧化剂,在剑的表面形成一层非常之密的氧化层,使它不再起别的化学作用。这种方法在国外只是近数十年才开始应用。不论是硫化层还是氧化层,它们都非常之薄,只有百分之一毫米,大约是一张报纸厚度的十分之一。就靠这薄薄的保护层,使古剑在阴冷潮湿的土层里埋藏了两千多年,不锈不腐,依然光芒四射,锋利异常,这真是我国古代科学技术上的一项重大成就。

棉袄会给你温暖吗

假如有人说,棉袄不会给人温暖,你可能以为这个人在跟你开玩笑。

天冷了,穿上棉袄不是暖和得多了吗?可是,你做个实验,看看结果怎样?譬如:你拿一支温度计,把它的温度记下来,然后把它裹在棉袄里。几小时后,再把它拿出来看看,温度计上的水银柱一点也没有上升,还是在原来的位置。这说明棉袄一点也没有给温度计什么温暖。

另外,你拿一支棒冰用棉袄盖好;再拿另一支棒冰放在桌子上。等到桌上的那支棒冰融化完了,再揭开棉袄看看,这一支棒冰几乎还没有开始融化。棉袄不但没有给棒冰加热,而且还在使它保持冷却,使它融化得更慢呢。

这就是棉袄不会给人温暖的证明。那么,为什么穿棉袄会感到温暖呢?

火会给人温暖,太阳会给人温暖,食物进入人体也会给人温暖,因为这些东西都是热源。棉袄不是热源,它是一种不良导热体,所以不会给人温暖,但是它能阻止我们身体的热量跑到外面去,因此能帮助我们保持身体的温暖。

夏天用小棉被盖着棒冰,棒冰就不容易融化。冬天下雪,雪花不仅不会冻死农作物,反而能保持大地的温暖,它们的道理都是一样的。

钢轨中的空隙

你仔细看过行驶火车的钢轨吗?如果你很细心,就会发现在两条钢轨衔接的地方,都有一点空隙。这个空隙称为“轨缝”。也许你会想:为什么要留出这点空隙呢?怪不得我们乘火车的时候,总是不断听到车轮撞击轨缝发出的那种叫人厌烦的“咯登,咯噔”的声音。

1825年,英国铺设的第一条铁路用的钢轨,是一根连一根地焊接在一起的。这种钢轨到了炎热的夏天就受热膨胀,会七歪八扭,左右弯曲,甚至还会朝上拱起;而到了天寒地冻的冬季,钢轨受冷收缩,竟会冻裂成几段。

金属的热胀冷缩,看来好象变化很小。但是积累起来,就不是一个小数目。用精密的仪器测定,钢轨温度每增减1℃,每一米钢轨就伸缩00000118米。假如在一年气温变化中,钢轨的温度上下相差80℃,那么对于1000公里长的铁路来说,就要增长1000000米×00000118×80=944米。

这样,一条铁路,原来平平整整铺在枕木上,一旦长出那么一大截来,长到哪里去呢?只能互相挤轧,结果就是上面所说的:不是扭曲,就是拱起。

人们接受这个教训以后,再不象过去那样,把钢轨一根紧接一根地焊在一起了,而是象我们通常看到的那样,把每根钢轨用鱼尾板和螺栓连接起来,中间留有适当的轨缝,让钢轨有伸缩的余地。每根钢轨越长,需要的轨缝也就越大。

但是为了保证行车安全,轨缝不允许太大,一般不能超过11毫米。因此常见的钢轨的长度一般为125米或25米。

轨缝虽然解决了钢轨热胀冷缩的问题,却给列车的运行带来了不少害处。由于轨缝的存在,使列车行驶时产生剧烈的震动,发出“咯噔咯噔”的噪声,不仅影响旅客的休息,而且因为车轮和钢轨的端部不断冲击,轨缝处就产生凹陷现象,使车轮和钢轨的使用寿命大大降低,给养护工作带来了很大的困难。据统计,养护一条铁路,花在接头上的费用要占养护线路全部费用的40%左右。就钢轨破损来说,60%是发生在接头处。因此,轨缝就成了铁路上的一害,长期以来,许多人想方设法,想要改进钢轨的接头方法。

近年来,由于发明了把钢轨强制锁定在枕木上的弹性扣件和防爬设备,采用了特殊稳定的道床以后,出现了用长钢轨铺设成的无缝线路,使轨缝产生的危害得到了初步的解决。

无缝线路实际上也是有缝的。只不过是把每根钢轨的长度增加到125米或250米。把长钢轨铺放到工地上以后,又把几根这样的长轨焊接在一起,成为1公里到2公里长的轨线。再装好特制的弹性扣件和防爬设备。显而易见,无缝线路的接头数目比普通线路的接头数目大大减少;无缝线路1公里或2公里才有一个接头,而普通线路每公里差不多要有80个接头。自然,旅客听到的“咯噔”声也大为减少,甚至已经忽略不注意。

材料热胀冷缩的特点,虽然有时给我们带来麻烦,但是,只要我们掌握了它的规律,还是能替我们服务的。例如机器的转轴在转动部分磨损较快,如果把整根轴换掉又太可惜,有时采用套的办法。在套在时候,就是根据金属热胀冷缩的原理,把套上去的轴套孔比轴做得小一些,让它烧热胀后套上去,冷却以后就能紧紧地包在轴上,永远不会脱掉。相反,在架设高压线或是其他架空线的时候,都要保持电线有一定的弧形下垂,绝对不能拉得很紧,否则,在低温时,就会绷断。

走马灯

空气具有这样一个特性:当它受了热以后,体积就会膨胀,因而身体变轻(也就是比重变小)向上升;受了冷呢,就会收缩变重而向下沉。

走马灯能够自动不停地转动,就是利用空气的这种特性。

我们不妨来研究一下走马灯的构造:走马灯最主要的部分,就是会自动旋转的部分,它的构造是怎样的呢?这往往是一只用半透明薄纸糊成的圆筒形成的纸屏,表面画着彩色的图画。圆筒的内部同普通的灯笼一样点着一支蜡烛。所不同的是这只圆筒装在灯架上一根可以转动的轴上,圆筒底部漏空可以通风,圆筒顶上装有一只纸做的风车。

粗粗一看,灯中间点着的这根蜡烛,它的作用似乎只是照亮那只会转动的圆筒形的纸屏,使人们能看到上面的图画而已。其实,除了这一点以外,它在这盏灯中间还起着一个重要的作用,它就是使这只走马灯转动的动力。

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