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那玩意儿实际上就是空气在热的时候,分子动能炸裂,然后散开去撞壁;冷的时候,分子缩成一团,互相抱成一团。这就好比你心里憋着一团火,想喊叫(升温),结局嗓子喊哑了,这团火还是在那儿炸;你想冷敷,那团火就得赶紧散开要么找个地方被压住。但这空气有个搞不定的地方,就是它自己跟自己打架。 这就涉及到一个关键难题,空气的两面性质。一边是它喜爱热情,一边是它厌恶热情。我们常说的比热容比,这事儿实际上就是指空气在“心情”上俩不一样的地方。一个是它想升温,这一边叫比热容;另一个是它想降温,这一边叫绝热指数。
这两个概念,实际上是一根绳上的两只蚂蚱,往一起扯就是比热容,往分开扯就是绝热指数。 这事儿得从分子是如何动的说起。想象一下,空气里的分子就像是一群高个子大学生,平时在办公室到处跑,但一旦到了冬天,大家就得穿上羽绒服,裹紧围巾,缩成一团。
这时候,分子之间的距离变大了,它们之间的碰撞变少了,整体运动的速度就变慢了。
这种速度变慢的过程,就是降温,而让温度变高的过程,就是升温。 比热容这一面,讲的是空气“闹情绪的本事”。
比如你往一杯水里倒酒精,结局水温没如何变,出于酒精的比热容低,它好办引起水的温度剧烈变化;再比如,为啥铁皮比塑料更好办被车撞变形,这跟材料的比热容也相关系。但在空气管住室这种特殊环境里,我们更关切的是绝热指数。
为啥飞机设计成流线型?出于飞机在爬升要么下降的时候,机身周围的气流变化快,机身表面积大,散热慢,一旦散热跟不上,发动机就喘不过气了。
故此,绝热指数高的材料,散热慢,能扛得住空气的折腾。 空气绝热指数的计算,实际上就是个数学游戏。你把它转化成方程,你会发现它的物理意义是“分子动能”除以“分子势能”。动能高,势能就低,空气就热情;动能低,势能就高,空气就懒散。 举个具体的例子,咱们看森林火灾。
那是典型的绝热指数不好。火苗燃烧起来,火团内部的温度挺高,火团内部的空气分子运动特别剧烈,动能挺大,这时候空气想降温挺难,出于它本来就热,想散开也不好办。你往火里浇水,水一接触火,火苗立马就灭掉了,这是出于水浇到了火团内部,增添了火团的势能,让空气变得“懒”了,分子忙着抱在一起,不再去撞壁。
这就好比一个在高温高压的房间里,你想把门打开散热,结局门把被反锁了,门缝也被堵死了,热散不出去,火就烧得更旺。 再比如气象里常说的云和雾。云是水蒸气凝结成的,水蒸气分子之间距离挺远,动能小,势能大,故此云里的空气比热容特别低。
要是你认定云冷,那是出于它内部空气分子动得少,没劲。而雾,就是水蒸气凝结在挺小的颗粒上,颗粒把水分子压得动不了,反而让周围空气的势能升高了,这就让空气变得“热”了,故此雾里的空气,实际上比热容是高的,它好办吸热,不好办散热。 还有个例子,就是为啥夏天在忒阳底下晒,人会认定热闷,但在室内空调房里,人却认定凉爽。
这是出于空气在室内被空调压缩机压着,压力变大,分子被挤得近了一些,动能变大,势能变小。
这时候空气的比热容就变大了,它更好办把热量储存起来,不好办散失。
故此空调在制冷的时候,实际上是靠提升空气的比热容,让空气变得“热”得了得,然后利用这个温差把热量抽走。 空气的这些特性,拍板了我们如何设计飞机。飞机在爬升阶段,空气密度大,比热容大,散热慢,故此飞机得把机翼做成流线型,削减表面积,让空气能更快地散掉热量,避免过热。而在 descent 阶段,空气密度小,比热容小,散热更好办,飞机能够略微平坦一点,不用像爬升那样拼命风阻。 再说说火箭。火箭在大气层外飞,空气稀薄,比热容挺小,散热特别快。
故此火箭不用像飞机那样弄那么多流线型,它更像是一个好办的管子,直接往大气里一喷,空气稀薄得连个说法都没有,火箭就能高速离开大气层。 最终总结一下,比热容比这事儿,好办说就是空气在“想升温”和“想降温”这两件好事上的表现。想升温难,想降温难,但想升温更甚,想降温更难。
故此空气的绝热指数一般都比比热容大。
这拍板了我们在造飞机、造火箭、就连造空调的时候,都得花点心思,让空气在受力要么散热的时候,能做出合适的情感变化,别让自己尴尬,也别让自己过热。
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