温度与分子热运动

温度，用物理学的概念来解释的话，其实就是分子热运动剧烈程度的表征。这个表征，可以解释温度高低是怎么回事。比如，100摄氏度的水，水分子运动非常剧烈，一秒钟的时间，能从这个位置跑到另一个很远的位置。但到了0摄氏度，水分子的运动幅度基本上就很微小了。

只要有一个温度计，我们差不多就能测出某个物体的温度。这个温度，就是一个数值。那么这个数值是怎么产生的呢？比如，把温度计插到水里，水分子会对温度计的液泡产生撞击，液泡里面的分子就会跟着动起来，动了之后，它们又会撞击温度计里面的液体。撞来撞去，温度计里面的液体运动得越来越快，液体体积就会膨胀起来，上升到一个数值，就是水的温度了。

它们之间传递的，其实就是运动的剧烈程度。也就是说，它们之间产生了相互作用，而它们之间的相互作用叫作力。

如果分子运动不是很剧烈，但在一定空间内它的数量比较多，你更多感受到的是压力。一旦剧烈到一定程度，它有那种“穿透性”了，就好比无数个针扎到你手上，刺痛。此时就会产生烧灼感，而不是纯粹的压力。

说到这里，就不得不提热传导、热对流、热辐射。热传导就是物体相互接触，分子可以直接相互撞击；热对流，是空气、水等流动性的物体的内部，物质发生移动来相互交换热量；热辐射就是通过射线，主要是红外线进行热量传递。

值得一提的是，空气的分子在吸收太阳照过来的热辐射电磁波（一种能量）之后，它本身的能量就会变高，运动就会加快。运动一快，就表现为温度上升了。而且，这种热辐射也存在于真空中。

有人肯定想反驳说，真空中不是没有分子吗，为什么还能有热辐射？这是因为电磁波不是分子，可以存在于真空中，使处于其中的物体吸收热辐射，从而把能量传给物体。所以，处在太空中的宇航员被太阳照到，就能感觉到热。说到射线，你肯定又会好奇，射线到底是什么，为什么它能让分子剧烈运动？这里提到的射线本质上就是电磁波，就是一段一段的能量。

提到射线，咱们可以进一步衍生到防辐射和隔热。防辐射和隔热的本质就是让剧烈的分子热运动无法传递下去。比如，航天、陶瓷类的材料，外面再热里面都不热，这种材料很难被加热，材料里面的分子很难剧烈运动。还有一种靠蒸发，比如火箭表面的涂层。加热后，它就挥发掉，这个过程会吸热，把热吸收掉后，里面就不热了。

好了，简单聊完了温度，为了帮助大家更好地理解，咱们接着一起来看看下面的几个小问题吧！

水的哪些物理特性决定了“水是生命之源”？

把水作为载体，大家可以更直观地感受到温度的概念。比如，水结冰了是0摄氏度，水沸腾了是100摄氏度。从物理的角度来说，开尔文温标是最简明合理的。按照水的温度特点，规定温度0摄氏度（水的三相点，准确值是0.01摄氏度）是开尔文温度273.15开，绝对零度就是开尔文温度的最小值0开（单位是“开”），此时物质不再运动，能量不再互相转化，绝对零度就是一切都静止了。

加上水的密度、比热容、无色透明这三个物理特性，决定了“水是生命之源”。

第一个特性——密度。一般物质，固态比液态密度大，但水比较神奇，它的固态比液态密度小。也就是说，水一旦变成冰，就会漂到水的上层。这一特性，可以保证寒冷的空气只能把水的上层冻住。所以，即使在寒冷的南北极、历史上的冰川时代，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，它才会一直漂在上面，冰的表层接触到阳光，就很容易融化。这就保证了，在冰层之下，依然有水供生命生存，决定了水里面会有生命。

反过来，如果冰的密度大于水，一结冰就沉下去，那么即使太阳照射，也只是把表层的薄薄一层冰晒化成水，而水的下面全是冰。这样的话，水下面的冰不受阳光照射，很难融化，之后会填满大海内部，对海洋生命很不利。

第二个特性，水的比热容大。所谓比热容大，就是质量相同的不同物质，吸收或放出同样的热量时，比热容大的物质温度变化小。这个特性可以保证海水温度不会出现大幅升降，这对生命来说非常重要。因为生命都需要稳定的温度环境，大幅的温度升降对于生命的形成和生存都是极其不利的。

第三个特性，水是无色、透明的。这个特性使得阳光可以轻易地穿过水面进入水的内部，所以水中的生命都可以接收到阳光的照射。而生命的产生，需要巨量的变异和外界环境的多重刺激，恰好水的无色透明特性使得太阳光可以提供辐射以及水温变化等刺激。

正是因为水具有这些特性，才把它称作生命之源。它不仅是生命诞生之源，也是滋养生命的必需品。

为什么在冬天湖底的温度总能保持在4摄氏度？

水虽然是液体，但它的密度并不是均匀的。在4摄氏度的时候，水的密度最大。密度最大的这部分水，肯定要沉到最下面。至于2摄氏度、1摄氏度的水，会依序往上走，温度越来越低，密度也越来越小。到了0摄氏度，密度就更小了，基本都聚在一起，变成冰了。

在冬天，河、湖上层的水，只要一到4摄氏度，就会往下沉。最终，水的温度就会形成一个梯度，比如，只要外面的空气特别冷，水的温度从下到上就是4摄氏度、3摄氏度、2摄氏度、1摄氏度……

夏天，一些比较浅的河、湖，太阳一晒就晒透了，水温可能会有十几、二十几摄氏度。但如果水足够深的话，下层水的温度还有一部分保持在4摄氏度。原理和冬天一样，4摄氏度的水密度最大，沉在水底，5摄氏度以上的水逐渐上升。至于为什么是4摄氏度的水密度最大，这应该是一个巧合，跟它的氢键有关。

所以，正常观测的话，湖面即使结冰，在很深的湖底，一般也会有4摄氏度的水温。

比如，深海溶解了好多盐，所以它的温度会改变一些。此外，海底有很多火山在散发热量。在深海，有的地方火山口的水温超过100摄氏度，但是因为海底压力极大，海水无法汽化，所以只能一直保持液态。

为什么下雪天要在路上撒盐？

每次下完雪或者正在下雪的时候，我们总能看到环卫工人们在马路上撒盐。他们为什么这么做呢？

撒了盐之后，冰雪的熔点就变低了。大家都知道，大海是不容易结冰的，一般来说，温度至少要降到零下十几摄氏度，海水才会被冻上。为什么呢？其中一个重要原因就是海水中有很多盐分，它的凝固点（也即熔点）比较低。

往雪上撒盐这一行为，恰巧降低了它的熔点。这样雪会更容易融化，路面上就不会有那么多的积雪，免得汽车在路上打滑啦。

所谓熔点，其实也是物质的凝固点。这里的“点”，简单来说，指的就是温度。在它刚要融化或者凝固的时候，这个温度，就叫熔点或者凝固点。

这种撒盐的原理具体来说是什么呢？主要就是撒盐之后会降低雪的熔点。比如说通常情况下，雪在0摄氏度的时候才能融化，但是熔点降低之后，意味着零下温度，比如零下5摄氏度，或者零下10摄氏度，它就能融化。

在雪上面撒盐，盐分子就会与水分子结合，这个过程会放出一定的热量。这个时候，它会破坏水分子之间的键，使得熔点变低。

说到这里，给大家科普一下不同液体的知识。简单来说，我们生活中看到的透明的液体一般都是溶液，比如饮料、食醋等，自来水也是溶解了一些矿物质的溶液；有点浑浊，但是打光后也能透亮的，一般属于胶体，比如我们喝的牛奶、写字用的墨水、我们的血液等，其实雾也属于胶体，我们会看到早晨阳光透过雾气时显现的一条条光柱，就是典型的胶体才有的现象。值得一提的是，溶解过程大部分物质是吸热的；但也有些物质，溶解过程是放热的，比如咱们吃的自嗨锅加热用的料。

冰凉的雪糕为什么会“冒白烟”？

夏天，很多小朋友都喜欢吃雪糕解暑。打开买来的雪糕，往往会发现，雪糕正在“冒白烟”。这种现象，其实是雪糕周围的水蒸气遇冷，凝结成了微小的小水滴。所谓的“白烟”，其实是雾，雾就是液态小颗粒。大家可能还听过霾，霾就是固态小颗粒。

雪糕上冒出的白烟，其实不是雪糕融化了，而是空气中的水蒸气在遇到冷冰的雪糕之后，凝结了。相当于水蒸气凝结成了小液滴。这个过程，不是雪糕化了变成烟跑了，而是空气中的气体变成了雾，有些雾甚至会跑到雪糕上凝固成冰。所以，恭喜你，你的雪糕变大了。

雪糕冒白烟的现象和烧开水时出现的白烟有什么区别呢？水烧开了，喷的气是水蒸气，但是它遇到温度相对较低的空气，温度变得低于100摄氏度，它又凝结成了液态小液滴。这种白烟，来源于烧开的水，是从水里面冒出来的。

雪糕的白烟和开水的白烟的形成过程是完全不同的，前者，雪糕冒白烟，是空气中的水蒸气遇冷，凝结成了小液滴；后者，水烧开了，是壶里出来的水蒸气，遇到空气，变成了小液滴。它们一个是引起外部的变化，一个是引起自身的变化，两者有很大的不同，大家注意区分一下。当然，两者也有相同之处，都是“水蒸气遇冷凝结成小水滴”。

提到这里，再给大家多科普一下。我们看到的白烟，不是气体，因为气体一般是无色无味的。所以，冒出的水蒸气我们看不见，只有当它凝结成小液滴之后，我们才能看到。