好看的物理演示实验:热学部分之一

本文为热学部分的演示实验系列之一，共10个视频，主要涉及布朗运动，热传导，对流，辐射，热膨胀及功热转换等。

1.布朗运动的演示

布朗运动是指气体或液体中悬浮的小颗粒具有的一种无规则运动，它因被英国植物学家罗伯特·布朗首先研究而得名。1905年，爱因斯坦提出了布朗运动的理论，圆满地回答了布朗运动的本质问题。

现在我们知道，布朗运动源于气体或液体分子的作用。分子由于永不停息的无规则热运动，不断碰撞和推动小颗粒，最终导致了这种无规则运动。

由于小颗粒的尺寸比较小，它受到的不同方向的碰撞并不均衡——这在统计力学里叫做涨落。它使小颗粒受力不平衡，其受力方向瞬息万变。因此小颗粒不断地改变运动方向，最终形成布朗运动。

一般，这种小颗粒的尺寸在1~10微米，称之为布朗粒子。如上面动画中的黄色小球，它被那些代表分子的小黑点频繁碰撞而发生不规则的运动。

布朗运动的特点主要有以下几个方面：

第一，布朗运动不是分子的运动，它是比分子大得多的小颗粒的运动，但由于小颗粒极小，因此要借助显微镜才能看到。

第二，布朗运动是无规的，如下图，其路径是杂乱无章的，这源于分子热运动的无规性。

第三，布朗运动永不停息，因为分子的热运动是无休止的。

第四，布朗粒子的尺寸越小，这种运动就越明显。因为根据统计理论，同时碰撞布朗粒子的分子数越少，涨落就越大，造成不同方向受到的碰撞越不均衡。

第五，温度越高，布朗运动越剧烈。这是因为，温度越高，分子热运动越剧烈，参与碰撞的分子对布朗粒子造成的冲击力越大，导致布朗粒子的运动状态改变越快。

布朗运动的研究在物理学的历史进程中起了非常重要的作用。

在理论方面，它是分子运动论和统计力学的基础。在实验上，通过布朗运动，实验上第一次精确的测定了阿伏伽德罗常数

水的导热速度远高于空气，在这个实验中，正是这一点导致俩气球的命运不同。

火烧到气球的装水位置，热不断被气球中的水吸收，使气球的温度无法迅速提高。另一个类似的实验是，用纸折的锅也可以烧开水。道理也是一样的。

那么，是不是只要放入导热性好的物质，就可以达到与水一样的效果呢？

答案是：不一定！

例如，如果用气球装几块冰然后放在火上，由于冰块之间有缝隙，这部分的空气不能很好的传热，气球也会容易烧破。

再例如，若装入碳酸饮料，它会放出气体，使得受火部位导热性差，气球也会烧破。

实际上，只有确保放入的物质稳定，导热性好，并连续分布于火烧的部位而不留空隙，实验才能成功。

3. 对流的演示

对流是液体和气体内部传热的主要方式，它的速度比热传导快。本视频采用染料清楚的显示了液体内部对流产生和发展的过程。

对流产生的条件是，流体物质受热不均匀。因为温度不同的液体或气体，密度有差别，重的物质下降，轻的物质上升，这样就导致了物质内部产生宏观流动，热量就随着物质的流动而传递。

在赵凯华教授的名著《定性与半定量物理学》中讲了一个有趣的例子。一个均匀的圆形平底锅，装上一种液体，在底部整个面积上均匀的缓慢加热。

一开始时，对流并没有发生——这是理所当然的，因为底面是被均匀加热的！每个地方都是平等的，到底哪个上升哪个下降，好像没法确定，因此对流没法开启。

然而，1901年，法国学者贝纳尔发现，当液面上下面之间的温度差达到某个临界值时，产生了一种奇特的现象，液体中出现一种六边形对流图案。该现象称之为贝纳尔对流，背后是对称性自发破缺导致的一种自组织行为。

这看起来是一种很奇怪的现象，因为从均匀的液体中竟然产生了有序结构，这似乎违反了热力学第二定律。

1969年，比利时物理学家，演化论的代表人物伊利亚·普里高津（Ilya Prigogine）解决了这一疑难问题。

根据他提出的耗散结构理论，上述现象是一种远离热力学平衡态的开放系统所特有的临界现象，是一种非热力学的稳定态，称之为耗散结构。

1977年，普里高津因为耗散结构理论而获得诺贝尔化学奖。

仅仅看热传导，气体传热性一般很差，但气体流动起来很快，所以对流弥补了气体导热性能的不足，是气体传热的主要方式，气体的对流效果比液体更明显。

对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。加大液体或气体的流动速度，能加快对流传热。

4. 辐射计的工作原理

热辐射是指通过电磁波的辐射来传热的方式，下面是文献中关于热辐射的介绍，

一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。

热辐射的规律主要有四个：基尔霍夫辐射定律，普朗克黑体辐射定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律和维恩位移定律。具体内容请参看相关资料。

讲到这里，可能你觉得有点奇怪，这不是电磁学部分的内容吗？

其实上面说的是热辐射的背景知识，而本视频讲的是测量辐射强度的仪器——辐射计的工作原理。

上面视频中的这个辐射计叫做克鲁克斯辐射计，俗称太阳风车。看起来很高级的样子，但你可能不知道，它早在1875年就由英国物理学家克鲁克斯(Sir William Crookes)发明。

说起克鲁克斯，他还是一种著名的奇异元素的发现者。它就是铊。普通人都闻之色变，但其实它并不那么可怕，它的用途可多着呢。

不过，作为英国皇家学会曾经的会长，克鲁克斯的黑料真不少。诸君有兴趣可以自己查一查，保证有惊喜。

好了，还是回头继续聊辐射计吧。

辐射计的主体是一个部分真空的气密玻璃泡，内部有一组可绕轴旋转的叶片，叶片两面分别是黑色和白色。当有光线照射时，叶片会转动起来，光线愈强旋转愈快，从而提供简单的电磁辐射强度定量测量。

那么，它的原理为什么与热学有关？难道就因为热辐射作为热传递的途径之一？显然不是！

按照辐射理论，深色物体对光和热的吸收率更高。因此叶片的黑面由于不断吸收光辐射，表面附近气体温度相对较高，因此分子运动速度较大。根据压强的统计意义可知，气体分子的压强与平均动能成正比，因此黑面受到气体分子的压力要比白面受到的压力大，这使叶片转动起来，且沿着黑面向白面转的方向。

由上述可知，辐射计的原理主要有两方面，一是不同表面对光和热的吸收的差别，二是分子热运动的剧烈程度随温度升高而升高的规律。

值得注意的是，经常有人将辐射计的原理理解为光的辐射压，显然是错误的！一般情况下，光的辐射压力可比空气分子推动叶片转动的力小太多太多了！在光学部分的演示实验中我们讲过辐射压，点击这里阅读。

5.气体的热胀冷缩

又一个小而美的实验。

道理似乎小学生都应该知道：热胀冷缩嘛！

但若仔细想想，视频中用的不是固体，而是气体，用热胀冷缩解释似乎有点过于简单化！

那么，背后的物理原理应该是什么呢？

是的，这就是理想气体的一条实验定律：盖-吕萨克定律。根据该定律：对一定量的气体，当维持压强一定时，气体的温度和体积成正比。

橡皮气球内的气体的压强应维持与大气压相等，而气球外部大气压保持不变，因此气球内气体经历的是等压变化。

剩下的就不必多说了吧。

6.温度的微观意义

这个视频也是关于布朗运动的一个演示。为什么温度较高的水中的染料扩散更快？这要从温度的微观意义说起。

温度，是表示物体冷热程度的物理量。但作为标准定义，温度是一个标志热平衡的宏观参量：达到热平衡时，系统必定具有的一个统一的宏观参量。

但从上述温度的定义来看温度的涵义，似乎有点抽象。它到底具有什么意义？

从统计的角度可以证明，大量粒子做无规则热运动的平均动能与温度成正比。如果只考虑平动动能，比例系数是

上面视频中这个复古风格的设备来自意大利，演示者通过转动轮子使装有水的金属管不断被摩擦生热，导致水沸腾，最终喷涌而出。

严谨而生动，极富哲理的深刻，宛如一部史诗级的大片，物理实验做到这样，不吸引人也难了！

那么，这个实验的意义何在呢？简单的说，这个实验的结果终结了物理学史上一场旷日持久的关于热的本质的争论。

热的本质到底是什么？历史上主要有两种观点。

一种叫热动论，即认为热的本质是运动。代表人物有牛顿，莱布尼兹，卡文迪许，托马斯·杨等。

另一种叫热质论，即认为热是某种无质量的物质，例如冰与流入的热质结合变成水。代表人物有拉瓦锡，拉普拉斯，道尔顿，卡诺等。

从阵容来看，都是豪华五星级，足见这个问题影响之大。实际上，这个问题历经的时间之长，观点交锋之激烈，参与者之众多，超过20世纪初物理学界关于量子阐释学说的那场大争论。

历史上，谁最先做了这个实验呢？不是大名鼎鼎的焦耳，而是一位出生于美国的英国物理学家，他名叫拉姆福德(Count Rumford)。

关于他的一本传记的标题是”拉姆福德：科学家，战士，政治家，间谍”。布朗称之为“自牛顿以来，科学史上最令人讨厌的名人”，足见在科学界，他绝对是一位非主流的另类人物。

然而，作为一名科学家，他的贡献还是不少。其中最广为人知的是，在1798年，他用钝钻头不停的切削大炮，直到最终令人震撼的一幕出现：装在炮筒里超过9公斤的水完全沸腾了！

他还测量了热功当量，得到的值为5.6J/cal。直到40多年后，焦耳全身心投入这个问题，测得热功当量的精确值为4.1868J/cal。

拉姆福德的实验显示出，热可以通过摩擦源源不断的被创造出来，它是取之不尽的。很显然，被隔离开来的物体系统中，这种源源不断的创造出的热不可能是一种物质实体。

热质说寿终正寝。

8. 钻木取火的演示

这位老兄应该是一位野外生存与极限挑战的好手。他给我们展示了钻(zuān)木取火的过程。

不过，还真没想到，钻木取火竟然是用手搓木棍进行的！这样看来，只要用力得当，肉的韧性是可以比木头强的——废话，要不然老天用肉作为造人材料！

好吧，下面来看看钻木取火背后的物理基础。

学过化学的知道，暴露在氧气中的物体，当温度达到某个称之为着火点的值时，则会产生一种发光发热的氧化反应，这就是燃烧。这是法国最伟大的化学家拉瓦锡(de Lavoisier)在1774年的实验发现，他据此推翻了所谓的燃素说。

然而，如何使物体的温度升高？除了直接加热之外，还有什么办法？摩擦能生热，然而热到底为何物？拉瓦锡虽然推翻了燃素说，但他却倾向于把热看作是一种物质实体，他是热质说的粉丝。

前面提到，拉姆福德在1798年结束了热质说。这是在拉瓦锡实验之后24年，就在那一年，拉瓦锡的人生也结束了——他因受同事陷害而被法国革命派送上了断头台。

而更巧的是，拉瓦锡的遗孀——那个13岁就嫁给拉瓦锡，除了作为拉瓦锡的灵魂伴侣之外，还一直担任他的科研助手的冰雪聪明的女子，后来也成为拉姆福德的妻子。

拉姆福德的发现之后40年，焦耳对热功当量的研究告诉世人，做功和热传递，能等效的改变物体的内能。做功付出的是机械能，这些能量转化为物体的内能后，导致物体的温度升高。

以上就是关于摩擦生火这点事背后的爱恨情仇。

虽然这些深奥的理论直到19世纪中叶才被人类理解，但人类早在原始部落的时代就通过各种方法人工取火了。

从保存自然火种，到学会人工取火，这是人类文明的一大飞跃。那么，人类到底是最早何时、如何学会人工取火的呢？

这个人类文明史的大问题，众说纷纭，并无定论。例如，从北京周口店龙骨山的山顶洞人遗迹推算，数万年前，他们就掌握了用火。但澳洲有土著人直到20世纪都没掌握这一技术。

据先秦古籍记载，上古时代，我们的祖先——三皇之首的燧人氏，在燧明国(今河南商丘)发明钻木取火技术。

据《拾遗记》记载：

燧明国有大树名燧，屈盘万顷。后有圣人，游至其国，有鸟啄树，粲然火出，圣人感焉，因用小枝钻火，号燧人氏。

意思是说，一位圣人从鸟啄燧木出现火花而受到启示，折下燧木研究，发明了钻木取火。

这位圣人的发现当然是非常非常伟大的，正因为如此，燧人氏成为上古三皇之首。当然，关于三皇，也有多个不同的版本。

其中一个版本的三皇之一叫祝融，是春秋时期楚国人的祖先。他因生前司职火官，故被后世称作火神。不过，祝融的所在时代比燧人氏要晚好几千年，所以真正的火神当然应该是燧人氏。

我国于2020年7月23日发射了首个火星探测器天问一号，它于2021年5月15日7时18分安全抵达火星的乌托邦平原。它所搭载的火星车被命名为祝融号。寓意点燃中国星际探测的火种，指引航天人不断超越自我，逐梦星辰。

9. 最简单的热机

上面这个视频展示的是希罗蒸汽机的原理。希罗蒸汽机是历史上最早发明的蒸汽机，也叫汽转球，它出自古罗马数学家希罗(Heron)。

希罗所处的年代大致在公元10到公元70年之间，除了汽转球之外，他还发明了很多其他的机械，例如风轮，注射器和史上最早的自动售卖机。

汽转球的工作原理如下图所示。

根据上图可知，视频中的易拉罐的两侧沿切向开了两个出气孔，并且两个孔的朝向相反。在蒸汽的反冲力推动下，易拉罐就转起来了。

友情提示：别直接火烧密封可乐罐哦！

由于希罗蒸汽机的做功并不严格依赖于工作物质的循环过程，因此不能算真正的热机。但如果将热机定义为将热能转换为机械能的装置，那么它就算得上是一台最简单的热机了。

真正能运行并具有商业价值的蒸汽机来自英国工程师纽科门(Thomas Newcomen)，之后经英国发明家瓦特(James Watt)等人不断改造，效率大大提高。关于蒸汽机和热机，后续文章再介绍，暂且不表。

10. 宏观过程可逆吗？

这个视频中的小哥做了两个表演。

先看第一个表演。

他先将蓝色、红色和黄色等几种颜色的染料在水中混合后搅拌，染料完全混合了，水成为一种均匀颜色的液体。

接着，他说要将混合液体回复到初始状态。他的方法是将视频倒放，因为明显的听到，视频的声音也是倒放的。

但这显然是不可能在现实中实现的。正如他所说，因为搅拌和混合过程中，染料经历了包括湍流在内的随机运动，这是一种不可逆过程。

自然界中的所有宏观过程都是如此，这决定了任何过程只能朝着熵增加的方向进行，这就是时间箭头。

再看第二个表演。

他将两个玻璃圆筒套在一起，在不同位置滴入染料后，他通过转动里面的圆筒，将染料混合。

但接下来，神奇的事情发生了！当他回转圆筒时，这些颜料又重新分开了！

这看起来似乎违反了熵增原理，是这样吗？

不知各位看官看出这其中的奥妙没有？

仔细看，这里有几个关键的地方。

第一点，他在两层圆筒之间放入了稠度很高的液体，所滴入的染料也是非常粘稠的液体。第二点，他是通过转动圆筒，而非搅拌的方式来混合染料。第三点也是至关重要的，两层圆筒之间的缝隙非常小。

这些关键点尽可能的将液体内的随机运动——湍流抑制了，液体基本只有沿着圆筒表面的平流运动。而且不同的染料移动的距离几乎与圆筒转动的距离一致。换句话说，这些染料发生的运动几乎是一种定向运动，而非随机运动。

正因为这样，当他反转圆筒时，染料也几乎复原了。不过仔细看你就知道，不可能完全复原，每种染料所占的宽度肯定变大了一些。

其实，讲到这里，我想起刷墙工人在扇灰(也叫刮腻子)时用的那把小铲子，那些数不清的砂浆颗粒在师傅的铲子底下不也是整齐划一的齐步走嘛！

推而广之，一个管理者手下有一大队人马，他们个性各异，一盘散沙。他怎样才能避免内耗，凝聚这些不同的个体的力量，朝着一个方向前进？这就是管理力和领导力。

END

号：wuliboke

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