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2024-11-11日常生活中的各種 「熱」 659 期

Author 作者 川村康文

將氣球稍微充氣,綁住吹氣口,浸泡在60℃以上的熱水中,會發生什麼事呢?答案是,氣球會鼓起來。相反的,如果放進冰水裡,氣球就會馬上消氣。由此可知,空氣等氣體在受熱時會膨脹,遇冷時會收縮,氣體體積與絕對溫度成正比。

其實,物理學所使用的「理想氣體溫度計」,就是運用理想氣體的體積與絕對溫度成正比的特性, 來測量溫度。理想氣體的體積V 與絕對溫度T(單位為K〔Kevin, 克耳文〕)成正比,用公式來表示, 即為V = kT(k 為比例常數)。

除了溫度以外,還有其他方法可改變氣球的體積。你可以試試看,用手抓著綁住吹氣口的氣球, 快速向內擠壓,可使它的體積變小,因為這麼會做讓氣球承受的壓力變大。實際上,在溫度不變的情況下,若要讓氣球體積減半,壓力就要加倍。相反的,若要讓氣球體積加倍,壓力就要減半。設壓力為p,體積為V,則公式如下:

pV =常數

另外,p、V 及T 的關係可以用pV = nRT 這個公式來表示。這個公式就是理想氣體方程式(Ideal gas law),n 是物質的量(Amount of substance),R 是氣體常數。

氣球的體積會因熱脹冷縮等因素而改變,是因為氣球內外的空氣壓力趨於相等。氣球外的空氣通常是1 大氣壓,所以氣球內的壓力也是1大氣壓。


為什麼蓋子很難打開?

大家應該都遇過瓶蓋或味噌湯碗蓋卡得很緊、打不開的情況, 其實這也是「熱」造成的。瓶蓋或碗蓋打不開,是因為裡面的空氣(或味噌湯、果醬等)變冷了。內容物變冷之後,瓶中的空氣也會因冷而收縮。但因瓶或碗的結構堅固,體積無法變小,迫使理應變小的體積維持原狀,導致壓力下降。如此一來,瓶外的壓力(1 大氣壓)就比瓶內大,使蓋子很難打開。

反過來說,要輕鬆打開味噌湯碗蓋或瓶蓋,就要讓內部的空氣膨脹,以提高內部壓力。也就是說,加熱內容物就可以了。不過, 要打開的如果是碗,很難只加熱味噌湯。這種情況就要用手把蓋子弄彎,亦即讓蓋子變形,把空氣送進去,使內部達到1 大氣壓。

既然提到碗,我想問問大家,有沒有遇過碗在桌上滑來滑去的情況?這種現象也可以用物理學中「熱」的原理來解釋。

味噌湯碗裡因為有裝東西,照理說應該很重、不易移動。但是, 支撐碗的部分(底部)與桌子之間的空氣因熱湯而膨脹,便形成力的作用,把碗稍微向上頂。如果底部沾到一點水,碗和桌子間的摩擦力就會變小;而底部的水又會使碗往上浮,摩擦力就更小了,所以碗才會亂滑。

不過,貼紙很難撕掉時,用吹風機去吹,背後的原理則稍有差異。因為吹風機加熱的不是空氣,而是貼紙。

吹風機的熱風會加熱貼紙用的黏膠,黏膠變熱後,分子運動會加速。簡單來說,就是黏膠變軟,所以比較容易撕開,跟摩擦力無關。


書 名|《物理角色圖鑑:用35 個萌角色掌握最重要的物理觀念,秒懂生活中的科普知識》
作 者|川村康文
譯 者|林雯
出版社|漫遊者文化 
出版日期|2024 年9 月