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。而弄清沸騰的機理對工程技術(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力和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計。

一個由密歇根大學(xué)和美國國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，在航天飛機所進行的5次飛行使命中，他們使用液體氟里昂進行了一系列的沸騰實驗。在實驗中，他們發(fā)現(xiàn)了液體在地球與太空軌道上沸騰時所發(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不是產(chǎn)生成了上萬的升騰的小氣泡，而是產(chǎn)生一個在液體中起伏的巨大的氣泡，且不斷奪下其他的小氣泡。多虧了美國航空航天局對這一過程的錄像，現(xiàn)在我們在地球上就可以觀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，在這些實驗以前，世界上有誰看到過太空中的沸騰呢?這真是人可思議!"基亞拉蒙特是美國航空航天局負(fù)責(zé)液體沸騰實驗的科學(xué)家，他說這一系列太空沸騰實驗已被研究人員視為"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單的好奇。因為一旦了解了液體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)。太空中的沸騰知識也將在某一天被用來制造太空站上的發(fā)電站，它用太陽光使液體沸騰產(chǎn)生蒸氣，然后通過推動渦輪機產(chǎn)生電力這樣的研究同樣也將在地球上得到應(yīng)用。因為失重環(huán)境給科學(xué)家打開了一個觀察沸騰現(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，以至于我們對它的大部分理解是基于經(jīng)驗，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)比在地球上簡單。失重環(huán)境使對流和浮力的影響消失，這個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復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，你就需要先研究一個變量少一些的比地球簡單的對象。對我們來說，太空就可以將研究的問題簡化。"

當(dāng)液體在太空中被加熱時，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)域則相對較冷。因為只有一小部分液體被加熱，因此它會更快地沸騰。但是，由蒸氣形成的氣泡不會沖出液面，而是結(jié)合成一個在液體內(nèi)部晃動的巨大的氣泡。雖然這些現(xiàn)象用現(xiàn)有的理論就可以預(yù)測，但要想真正了解整個過程的細(xì)節(jié)，并尋找末預(yù)測到的現(xiàn)象，則需要進行真實的實驗。

實驗的負(fù)責(zé)人赫爾曼·默特被人們視為微重力沸騰實驗之父，正是他發(fā)明了記錄在錄像帶上的實驗。他說："我們對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現(xiàn)幾秒鐘的零重力條件。這些早期實驗為設(shè)計在航天飛機中進行的實驗提供了指南，但這匆忙的一瞥實在不能與在航天飛機上長達幾分鐘的觀察相比。

這些早期研究的一項重要成果就是制造實驗用的沸騰室的方法，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，因為液體表面折射的影響，從下面是無法看清楚的。"所以默特用石英制作了一個底面平滑、堅硬透明的沸騰室，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，隨著實驗溫度的不同，那個巨大的氣泡有時漂浮在液體的中心，有時則附著在與加熱器相鄰的表面。當(dāng)出現(xiàn)后一種情況時，氣泡將有效地將液體與加熱器隔離起來，使液體不再進一步沸騰并導(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，對設(shè)計太空艙系統(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現(xiàn)象，我們就能做出最佳的設(shè)計。假如還有一些不確定的因素，那就應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計出更好的實驗去弄清楚它。"

今天，科學(xué)家們還在繼續(xù)進行這項基礎(chǔ)實驗以了解更多的知識。隨著科學(xué)家對液體沸騰現(xiàn)象史深入的了解，工程師將會對制冷和動力系統(tǒng)的設(shè)計進行改進以便更好地服務(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：國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).在這個過程中包含了沸騰現(xiàn)象。工程師在設(shè)計這個制冷系統(tǒng)時利用了從微重力沸騰實驗中得到的知識。

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)合成一個大的球形氣泡。《科學(xué)世界》

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