溫度與分子熱運動

溫度，用物理學的概念來解釋的話，其實就是分子熱運動劇烈程度的表征。這個表征，可以解釋溫度高低是怎么回事。比如，100攝氏度的水，水分子運動非常劇烈，一秒鐘的時間，能從這個位置跑到另一個很遠的位置。但到了0攝氏度，水分子的運動幅度基本上就很微小了。

只要有一個溫度計，我們差不多就能測出某個物體的溫度。這個溫度，就是一個數值。那么這個數值是怎么產生的呢？比如，把溫度計插到水里，水分子會對溫度計的液泡產生撞擊，液泡里面的分子就會跟著動起來，動了之后，它們又會撞擊溫度計里面的液體。撞來撞去，溫度計里面的液體運動得越來越快，液體體積就會膨脹起來，上升到一個數值，就是水的溫度了。

它們之間傳遞的，其實就是運動的劇烈程度。也就是說，它們之間產生了相互作用，而它們之間的相互作用叫作力。

如果分子運動不是很劇烈，但在一定空間內它的數量比較多，你更多感受到的是壓力。一旦劇烈到一定程度，它有那種“穿透性”了，就好比無數個針扎到你手上，刺痛。此時就會產生燒灼感，而不是純粹的壓力。

說到這里，就不得不提熱傳導、熱對流、熱輻射。熱傳導就是物體相互接觸，分子可以直接相互撞擊；熱對流，是空氣、水等流動性的物體的內部，物質發生移動來相互交換熱量；熱輻射就是通過射線，主要是紅外線進行熱量傳遞。

值得一提的是，空氣的分子在吸收太陽照過來的熱輻射電磁波（一種能量）之后，它本身的能量就會變高，運動就會加快。運動一快，就表現為溫度上升了。而且，這種熱輻射也存在于真空中。

有人肯定想反駁說，真空中不是沒有分子嗎，為什么還能有熱輻射？這是因為電磁波不是分子，可以存在于真空中，使處于其中的物體吸收熱輻射，從而把能量傳給物體。所以，處在太空中的宇航員被太陽照到，就能感覺到熱。說到射線，你肯定又會好奇，射線到底是什么，為什么它能讓分子劇烈運動？這里提到的射線本質上就是電磁波，就是一段一段的能量。

提到射線，咱們可以進一步衍生到防輻射和隔熱。防輻射和隔熱的本質就是讓劇烈的分子熱運動無法傳遞下去。比如，航天、陶瓷類的材料，外面再熱里面都不熱，這種材料很難被加熱，材料里面的分子很難劇烈運動。還有一種靠蒸發，比如火箭表面的涂層。加熱后，它就揮發掉，這個過程會吸熱，把熱吸收掉后，里面就不熱了。

好了，簡單聊完了溫度，為了幫助大家更好地理解，咱們接著一起來看看下面的幾個小問題吧！

水的哪些物理特性決定了“水是生命之源”？

把水作為載體，大家可以更直觀地感受到溫度的概念。比如，水結冰了是0攝氏度，水沸騰了是100攝氏度。從物理的角度來說，開爾文溫標是最簡明合理的。按照水的溫度特點，規定溫度0攝氏度（水的三相點，準確值是0.01攝氏度）是開爾文溫度273.15開，絕對零度就是開爾文溫度的最小值0開（單位是“開”），此時物質不再運動，能量不再互相轉化，絕對零度就是一切都靜止了。

加上水的密度、比熱容、無色透明這三個物理特性，決定了“水是生命之源”。

第一個特性——密度。一般物質，固態比液態密度大，但水比較神奇，它的固態比液態密度小。也就是說，水一旦變成冰，就會漂到水的上層。這一特性，可以保證寒冷的空氣只能把水的上層凍住。所以，即使在寒冷的南北極、歷史上的冰川時代，地球上依然有水存在，而不是只有冰。

而且，只有冰的密度小于水，它才會一直漂在上面，冰的表層接觸到陽光，就很容易融化。這就保證了，在冰層之下，依然有水供生命生存，決定了水里面會有生命。

反過來，如果冰的密度大于水，一結冰就沉下去，那么即使太陽照射，也只是把表層的薄薄一層冰曬化成水，而水的下面全是冰。這樣的話，水下面的冰不受陽光照射，很難融化，之后會填滿大海內部，對海洋生命很不利。

第二個特性，水的比熱容大。所謂比熱容大，就是質量相同的不同物質，吸收或放出同樣的熱量時，比熱容大的物質溫度變化小。這個特性可以保證海水溫度不會出現大幅升降，這對生命來說非常重要。因為生命都需要穩定的溫度環境，大幅的溫度升降對于生命的形成和生存都是極其不利的。

第三個特性，水是無色、透明的。這個特性使得陽光可以輕易地穿過水面進入水的內部，所以水中的生命都可以接收到陽光的照射。而生命的產生，需要巨量的變異和外界環境的多重刺激，恰好水的無色透明特性使得太陽光可以提供輻射以及水溫變化等刺激。

正是因為水具有這些特性，才把它稱作生命之源。它不僅是生命誕生之源，也是滋養生命的必需品。

為什么在冬天湖底的溫度總能保持在4攝氏度？

水雖然是液體，但它的密度并不是均勻的。在4攝氏度的時候，水的密度最大。密度最大的這部分水，肯定要沉到最下面。至于2攝氏度、1攝氏度的水，會依序往上走，溫度越來越低，密度也越來越小。到了0攝氏度，密度就更小了，基本都聚在一起，變成冰了。

在冬天，河、湖上層的水，只要一到4攝氏度，就會往下沉。最終，水的溫度就會形成一個梯度，比如，只要外面的空氣特別冷，水的溫度從下到上就是4攝氏度、3攝氏度、2攝氏度、1攝氏度……

夏天，一些比較淺的河、湖，太陽一曬就曬透了，水溫可能會有十幾、二十幾攝氏度。但如果水足夠深的話，下層水的溫度還有一部分保持在4攝氏度。原理和冬天一樣，4攝氏度的水密度最大，沉在水底，5攝氏度以上的水逐漸上升。至于為什么是4攝氏度的水密度最大，這應該是一個巧合，跟它的氫鍵有關。

所以，正常觀測的話，湖面即使結冰，在很深的湖底，一般也會有4攝氏度的水溫。

比如，深海溶解了好多鹽，所以它的溫度會改變一些。此外，海底有很多火山在散發熱量。在深海，有的地方火山口的水溫超過100攝氏度，但是因為海底壓力極大，海水無法汽化，所以只能一直保持液態。

為什么下雪天要在路上撒鹽？

每次下完雪或者正在下雪的時候，我們總能看到環衛工人們在馬路上撒鹽。他們為什么這么做呢？

撒了鹽之后，冰雪的熔點就變低了。大家都知道，大海是不容易結冰的，一般來說，溫度至少要降到零下十幾攝氏度，海水才會被凍上。為什么呢？其中一個重要原因就是海水中有很多鹽分，它的凝固點（也即熔點）比較低。

往雪上撒鹽這一行為，恰巧降低了它的熔點。這樣雪會更容易融化，路面上就不會有那么多的積雪，免得汽車在路上打滑啦。

所謂熔點，其實也是物質的凝固點。這里的“點”，簡單來說，指的就是溫度。在它剛要融化或者凝固的時候，這個溫度，就叫熔點或者凝固點。

這種撒鹽的原理具體來說是什么呢？主要就是撒鹽之后會降低雪的熔點。比如說通常情況下，雪在0攝氏度的時候才能融化，但是熔點降低之后，意味著零下溫度，比如零下5攝氏度，或者零下10攝氏度，它就能融化。

在雪上面撒鹽，鹽分子就會與水分子結合，這個過程會放出一定的熱量。這個時候，它會破壞水分子之間的鍵，使得熔點變低。

說到這里，給大家科普一下不同液體的知識。簡單來說，我們生活中看到的透明的液體一般都是溶液，比如飲料、食醋等，自來水也是溶解了一些礦物質的溶液；有點渾濁，但是打光后也能透亮的，一般屬于膠體，比如我們喝的牛奶、寫字用的墨水、我們的血液等，其實霧也屬于膠體，我們會看到早晨陽光透過霧氣時顯現的一條條光柱，就是典型的膠體才有的現象。值得一提的是，溶解過程大部分物質是吸熱的；但也有些物質，溶解過程是放熱的，比如咱們吃的自嗨鍋加熱用的料。

冰涼的雪糕為什么會“冒白煙”？

夏天，很多小朋友都喜歡吃雪糕解暑。打開買來的雪糕，往往會發現，雪糕正在“冒白煙”。這種現象，其實是雪糕周圍的水蒸氣遇冷，凝結成了微小的小水滴。所謂的“白煙”，其實是霧，霧就是液態小顆粒。大家可能還聽過霾，霾就是固態小顆粒。

雪糕上冒出的白煙，其實不是雪糕融化了，而是空氣中的水蒸氣在遇到冷冰的雪糕之后，凝結了。相當于水蒸氣凝結成了小液滴。這個過程，不是雪糕化了變成煙跑了，而是空氣中的氣體變成了霧，有些霧甚至會跑到雪糕上凝固成冰。所以，恭喜你，你的雪糕變大了。

雪糕冒白煙的現象和燒開水時出現的白煙有什么區別呢？水燒開了，噴的氣是水蒸氣，但是它遇到溫度相對較低的空氣，溫度變得低于100攝氏度，它又凝結成了液態小液滴。這種白煙，來源于燒開的水，是從水里面冒出來的。

雪糕的白煙和開水的白煙的形成過程是完全不同的，前者，雪糕冒白煙，是空氣中的水蒸氣遇冷，凝結成了小液滴；后者，水燒開了，是壺里出來的水蒸氣，遇到空氣，變成了小液滴。它們一個是引起外部的變化，一個是引起自身的變化，兩者有很大的不同，大家注意區分一下。當然，兩者也有相同之處，都是“水蒸氣遇冷凝結成小水滴”。

提到這里，再給大家多科普一下。我們看到的白煙，不是氣體，因為氣體一般是無色無味的。所以，冒出的水蒸氣我們看不見，只有當它凝結成小液滴之后，我們才能看到。