蒸发致冷的奥秘

陈梅

请你回答两个问题

第一个问题：在一个盛水的敞口大容器中放一个盛水的敞口小容器（小容器不能接触大容器），再用大火不断加热大容器的底部，问：小容器里的水会沸腾吗？为什么？

第二个问题：为什么酷热时扇扇子能让人感觉凉爽？

对于第一个问题，也许你将回答：当然会啰！大容器中的水先沸腾之后，会把热量传递给小容器中的水，当然小容器中的水也就会不断升温而沸腾。可是答案是：回答错误——小容器中的水不会沸腾，这似乎是一个“意想不到”的答案！为什么呢？

原来，大容器中的水达到沸腾状态，在内部与表面剧烈汽化之后，不管怎样继续加热，都会保持在沸点——例如，对于1个大气压下的纯水，沸点是100℃，不会升高到100℃以上。为什么呢？因为一部分水变成水蒸气时，会不断带走余下的水的热量，从而让水始终保持在沸点。1千克100℃的水蒸气将带走2.26×106焦的热量，这个2.26×106焦/千克称为水在这种条件下的“汽化热”。既然大容器中的水始终保持在100℃，那么小容器中的水也就因为热传导而始终保持在100℃，无法得到它需要的“汽化热”而沸腾。

上述大容器表面的水在汽化时带走热量的现象，是一种蒸发致冷现象。因为蒸发不止发生在沸水表面，还发生在任何温度下的任何非密封液体表面，所以非密封液体表面都有蒸发致冷现象。

对于第二个问题，正确的答案绝不是“扇子会扇来凉风”。类似，能让人感觉凉爽的，也绝不是“电风扇吹来凉风”或“迎面吹来了凉爽的风”。原因很简单：人体附近的空气，都是温度相同的热空气。但问题又来了：既然这些热空气的温度相同，那么扇扇子时人为什么会感觉凉爽呢？

主要原因是，快速吹来的热风（热风一词不是误用，因为酷热时到处都是热空气）让汗液加快蒸发，使蒸发致冷的效果更强，带走皮肤表面的热量更多，让人感觉凉爽。这里用到的物理学原理是：快速流动的风会加快物体表面的液体蒸发，加强蒸发致冷的效果。这里要说明的是，没有热风（或冷風），汗液也会蒸发，但蒸发速度更缓慢，蒸发致冷的效果要弱得多。

无处不在的蒸发致冷

在很久以前没有电风扇的理发店里，小师傅拉着绳子来回收放，绳子上面连着挂在天花板上垂下的、用多张报纸糊起来的长宽各有几十厘米的“土风扇”。“土风扇”在理发顾客头上来回晃荡产生的风，让顾客感觉凉爽一些。这是蒸发致冷。当然，“土风扇”五花八门。例如，用篾条编织成“篾板”，代替上述糊起来的多张报纸。

当然，在没有电或没有普及用电的时代，我们的先人还有其他的降温妙招，“土冰箱”就是其一。夏天的食物（例如切开的西瓜）容易腐败变质，把西瓜放在一个冷水盆内，再在西瓜切口表面盖上一条干净的毛巾，这也是利用蒸发致冷。原来，冷水会因为毛细现象沿着毛巾连续不断上升到盖着西瓜的部位，然后蒸发致冷，造成了西瓜周围较冷的“小气候”（可低3℃左右）而保鲜。在停电的日子里，“土冰箱”的确能救急——显然应放在通风而且不被阳光直晒的相对凉爽的窗台等处。

世界上许多国家都有“土冰箱”。例如，在西班牙，就有一种名为“阿里卡拉查”的烧制黏土瓶，在埃及叫“戈乌拉”——一种装有冷水的、冷水能透过黏土瓶壁慢慢渗透到瓶外的容器。当这些冷水渗透到瓶外壁时，蒸发致冷就降低了瓶内冷水的温度。

把水（酒精或乙醚）抹在额头上，就会立即感到凉爽。在病人发高烧时，医生会在病人手心、额头、脚心等处抹酒精，采用物理降温法紧急降温。这也是蒸发致冷。

不管春夏秋冬，即使是在比体温稍低一点的水中游泳，也不觉得很冷。但游完变成“出水芙蓉”之后，如果没有马上擦干身上的水，就觉得比较冷或特别冷。这还是蒸发致冷。

干湿泡湿度计（它和毛发湿度计大多被电子湿度计取代）的工作原理，同样是蒸发致冷——湿泡温度计指示的温度，总是比全部暴露在空气中的干泡温度计指示的温度低（原因：由于毛细现象，水不断沿纱布上升到湿泡表面，最后蒸发致冷）；由两者的温度之差，就能在该仪器背后的对照表中查出对应温度差下的湿度。如果您没有这种仪器，又想看到蒸发致冷的效果，有一个简单的方法。把水（酒精或乙醚）抹在一支酒精温度计（不能用体温表）下端的酒精球处，再对着酒精球吹气或扇风，就会“立竿见影”——它指示的温度会明显下降。

空调与电冰箱等制冷的原理，就是蒸发致冷。

传统“三大火炉”重庆、武汉和南京都是沿长江分布的原因，不是因为气温特别高——例如，武汉七月的平均最高气温33℃，仅比济南高出0.4℃，而是由于湿度特别大，不利于汗液快速蒸发，蒸发致冷的效果不明显。对同一种液体而言，湿度是影响液体总体蒸发速度的四大因素之一，另外三大因素是温度、空气的流动速度与表面积。实验表明，当空气的相对湿度为零时，气温要高于35℃，人们才有热感；而当空气的相对湿度为80%时，28～29℃时人们就感觉闷热了。

如果到云贵高原或四川的西昌一带，你会发现酷暑时树荫下比阳光直晒处凉快得多。其次要原因，是树木遮荫让地面免受阳光直晒；主要原因，是这些地区湿度较小，树木会发生强烈的蒸腾，从而造成剧烈的蒸发致冷，带走了大量的热量。

用口吹气或用扇子、电风扇等扇风，可加快冷却烫开水或粥等液体或含水食品，其原因是快速流动的风加速了蒸发致冷。

如果夏日晚饭后要在院坝乘凉，就要提前给院坝浇水，等水渗入地下和蒸发殆尽之后，再多次浇水。其原因除了“比热容”很大的水能直接吸收地面的热量实现降温，还有这些水大量快速蒸发，迅速完成蒸发致冷。

阿拉伯人穿着能遮住全身的宽松的长袍，在空气温度高于40℃的沙漠中气定神闲地行走的奥秘之一是，长袍形成的“烟囱效应”加快了空气的流动，让汗液更快地蒸发致冷，有难以置信的凉爽之感。endprint

俄罗斯的圣彼得堡和莫斯科冬天的平均气温相差不大，但总感觉圣彼得堡比莫斯科冷。原来，莫斯科的平均风速仅4.5米/秒，而圣彼得堡平均风速达6米/秒，使面部汗液有更强的蒸发致冷。

蒸发致冷在农业中的应用实例是喷灌。夏日的喷灌，不但直接连续通过热传导降低了地表和植物的温度，还让植物叶片得到持续不断的水滴，这些水滴蒸发致冷后有利于植物的降温而抵御酷暑。

蒸发致冷在科研中也有重要应用，其一是用它获得超低温，例如用氦3蒸发致冷曾获得过0.2K的超低温。另一个实例是，应用蒸发致冷获得的超低温，实现了玻色-爱因斯坦凝聚。此外，宇宙飞船返回地面时，因为与稠密大气层高速摩擦，会产生上千摄氏度的高温而危害航天员，所以都要对返回舱降温；降温的三种主要方法之一，也是蒸发致冷——用高分子材料做飞船的蒙皮，让它的表面在高温时熔化之后蒸发，或升华、分解而汽化，带走大量的热。

你要注意的蒸发致冷

蒸發致冷在各个领域都有广泛的应用，但也要注意应用得当，否则将产生不良后果。

发烧时用液体（例如酒精、乙醚等）物理降温，一定要在医生的指导下进行：用何种液体降温，在人体的哪个部位降温，降到哪个温度为止等，都要听医生的，切莫想当然自作主张——特别是对老弱病者与婴幼儿。

吹空调易感冒的原因，除因室内外温差大造成人体不能适应之外，还有一个重要的原因：人在大汗淋漓之时走进空调房，面对空调冷风领略“爽”的感觉，殊不知急剧的冷风不但通过热传导直接给你降温，而且还有更厉害的——汗液急速蒸发致冷带走了巨大的热量而“闭汗”感冒。应对的方法是，不要把空调温度开得过低（一般25℃上下即可），要擦干汗液才进空调房。

游泳或洗澡后易感冒，这是不少人的“习惯病”。其原因是他们完事后没有立即擦干身体，于是皮肤上残留的水蒸发致冷让皮肤表面的温度骤然下降而不能适应。应对的方法是，泳浴之后立即反复擦干全身的水，再立即穿好衣服。

在游泳池中泡一两个小时都不会因为发凉而感冒，但被大雨淋湿之后，如果不及时换上干衣，就很容易感冒。其原因也是身上的雨水大量蒸发时由于蒸发致冷而着凉感冒。所以，被大雨淋湿之后，应立即脱下湿衣并擦干身体，及时换上干衣。

穿上不透气或透气不良的鞋袜，不但因为脚处于特别潮湿的“小气候”（由汗液蒸发引起）中容易患脚气，而且脚特别闷热。脚特别闷热的原因有两个：一般的鞋都是热的不良导体，难以用热传导的方式传递出鞋中产生的巨大热量而无法降温；脚分泌的汗液难以蒸发，从而难以蒸发致冷。所以，应穿透气好的鞋——特别是在夏天。

【责任编辑】蒲 晖endprint