太空中古怪的沸騰

1、.太空中古怪的沸騰這是一個專門介紹各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)的欄目。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的一部分，它不但是檢驗(yàn)理論的利器，更是產(chǎn)生新理論的源泉。這里介紹的實(shí)驗(yàn)有的非常簡單，但構(gòu)思非常巧妙，很有意義，讀者在家中就可以嘗試：有的實(shí)驗(yàn)?zāi)敲词潜容^前沿的課題，非常有興趣，其結(jié)果是無法靠想像預(yù)測到的。本期介紹是一個關(guān)于沸騰的實(shí)驗(yàn)。沸騰現(xiàn)象可以說是和我們的生活息息相關(guān)的，但它又是一種很復(fù)雜的物理現(xiàn)象，里面蘊(yùn)含著很多奧秘，有一些問題甚至到如今還不十清楚了。例如，在沒有重力存在的太空中，沸騰現(xiàn)象和地面上有什么不同呢？這個問題在過去是無法答復(fù)的。多虧航天技術(shù)的開展，我們終于可以目睹太空中奇怪的沸騰現(xiàn)象了。通過這個實(shí)驗(yàn)我們可以看到，在

2、不同的條件下，同樣一個物理過程的表現(xiàn)可能是迥然不同的。液體沸騰是地球上司空見慣的現(xiàn)象，但它卻是一個非常復(fù)雜的物理過程。當(dāng)裝有液體的容器被加熱后，由于重力的影響，液體中比較熱的部分上升，而比較冷的部分那么下降這就是“對流。浮力使氣泡急速上升，因此產(chǎn)生劇烈的“沸騰。那么太空中的沸騰又是怎樣的呢？實(shí)際上，物理學(xué)家一直被地球上沸騰液體的復(fù)雜行為所困惑。而弄清沸騰的機(jī)理對工程技術(shù)人員是很重要的，這不僅僅關(guān)系到咖啡壺，更關(guān)系到宇宙飛船中的動力和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一個由密歇根大學(xué)和美國國家航空航天局的研究人員組成的科學(xué)家小組決定弄清這些問題。從1992到l996年，在航天飛機(jī)所進(jìn)展的5次飛行使命中，他們使用液

3、體氟里昂進(jìn)展了一系列的沸騰實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)了液體在地球與太空軌道上沸騰時(shí)所發(fā)生的一些令人迷惑的不同之處。例如在太空中，液體在無重力條件下沸騰時(shí)不是產(chǎn)生成了上萬的升騰的小氣泡，而是產(chǎn)生一個在液體中起伏的宏大的氣泡，且不斷奪下其他的小氣泡。多虧了美國航空航天局對這一過程的錄像，如今我們在地球上就可以觀察到液體這種令人迷惑的古怪的沸騰行為了。弗朗西斯·基亞拉蒙特博士說：“想想看，在這些實(shí)驗(yàn)以前，世界上有誰看到過太空中的沸騰呢？這真是人可思議！基亞拉蒙特是美國航空航天局負(fù)責(zé)液體沸騰實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家，他說這一系列太空沸騰實(shí)驗(yàn)已被研究人員視為“經(jīng)典了。這些錄像確實(shí)非常有趣，但是科學(xué)家研究沸騰

4、問題的熱情絕不僅僅是出于簡單的好奇。因?yàn)橐坏├斫饬艘后w在太空中是怎樣沸騰的，科學(xué)家就可以制造出更有效的太空艙制冷系統(tǒng)，例如國際太空站上使用的就是利用氨在液態(tài)和氣態(tài)間轉(zhuǎn)化的空調(diào)系統(tǒng)。太空中的沸騰知識也將在某一天被用來制造太空站上的發(fā)電站，它用太陽光使液體沸騰產(chǎn)生蒸氣，然后通過推動渦輪機(jī)產(chǎn)生電力這樣的研究同樣也將在地球上得到應(yīng)用。因?yàn)槭е丨h(huán)境給科學(xué)家翻開了一個觀察沸騰現(xiàn)象的嶄新窗口，他們可以借此更好地理解沸騰這個根本的物理現(xiàn)象?！胺序v現(xiàn)象是如此復(fù)雜，以致于我們對它的大部分理解是基于經(jīng)歷，而不是建立在根本的物理方程之上的?；鶃喞商卣f，“可是，在失重的太空軌道中，沸騰遠(yuǎn)比在地球上簡單。失重環(huán)境使對流

5、和浮力的影響消失，這個差異可以解釋為什么地球上的沸騰液體的行為與太空中如此不同。它為想解決棘手物理問題的科學(xué)家提供了有力的工具。比方說，假如你試圖研究地球這樣一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，你就需要先研究一個變量少一些的比地球簡單的對象。對我們來說，太空就可以將研究的問題簡化。當(dāng)液體在太空中被加熱時(shí)，由于沒有重力的作用，液體中比較熱的部分不再上升，而是緊靠著加熱器的外表停留并被繼續(xù)變熱，而遠(yuǎn)離加熱器的區(qū)域那么相對較冷。因?yàn)橹挥幸恍〔糠忠后w被加熱，因此它會更快地沸騰。但是，由蒸氣形成的氣泡不會沖出液面，而是結(jié)合成一個在液體內(nèi)部晃動的宏大的氣泡。雖然這些現(xiàn)象用現(xiàn)有的理論就可以預(yù)測，但要想真正理解整個過程的細(xì)節(jié)

6、，并尋找末預(yù)測到的現(xiàn)象，那么需要進(jìn)展真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人赫爾曼·默特被人們視為微重力沸騰實(shí)驗(yàn)之父，正是他創(chuàng)造了記錄在錄像帶上的實(shí)驗(yàn)。他說：“我們對許多問題還沒有很好地理解。默特和其他科學(xué)家曾利用“下降塔進(jìn)展無重力沸騰的早期研究，即通過讓高塔上的樣品自由下落來實(shí)現(xiàn)幾秒鐘的零重力條件。這些早期實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)在航天飛機(jī)中進(jìn)展的實(shí)驗(yàn)提供了指南，但這匆忙的一瞥實(shí)在不能與在航天飛機(jī)上長達(dá)幾分鐘的觀察相比。這些早期研究的一項(xiàng)重要成果就是制造實(shí)驗(yàn)用的沸騰室的方法，它使科學(xué)家可以看清加熱器的外表以及在那里與加熱器接觸的液體。默特解釋說：“這種互相作用就發(fā)生在加熱器的固體與液體的接觸面上，因?yàn)橐后w外表折

7、射的影響，從下面是無法看清楚的。所以默特用石英制作了一個底面平滑、堅(jiān)硬透明的沸騰室，然后又給石英覆蓋上一層厚度不到400埃的極薄的金層。這樣它既可以讓可見光自由穿過，又能像一大塊金子一樣導(dǎo)電。默特與合作者使用這種裝置得到了一些非常有趣的發(fā)現(xiàn)。例如，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不同，那個宏大的氣泡有時(shí)漂浮在液體的中心，有時(shí)那么附著在與加熱器相鄰的外表。當(dāng)出現(xiàn)后一種情況時(shí)，氣泡將有效地將液體與加熱器隔離起來，使液體不再進(jìn)一步沸騰并導(dǎo)致加熱器的溫度急速升高。而確切地理解發(fā)生這種情形的條件，對設(shè)計(jì)太空艙系統(tǒng)中依靠沸騰工作的裝置是至關(guān)重要的。默特說：“假如比較好地理解了這個現(xiàn)象，我們就能做出最正確的設(shè)計(jì)。假設(shè)還有一些不確定的因素，那就應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計(jì)出更好的實(shí)驗(yàn)去弄清楚它。今天，科學(xué)家們還在繼續(xù)進(jìn)展這項(xiàng)根底實(shí)驗(yàn)以理解更多的知識。隨著科學(xué)家對液體沸騰現(xiàn)象史深化的理解，工程師將會對制冷和動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)展改進(jìn)以便更好地效勞于人類，這不只包括在太空中工作的人，而且也包括生活在地球上的人。迥然不同的沸騰：這一系列圖片對地球上和太空中液體的沸騰過程做了比較。由于不存在浮力和對流的作用太空中沸騰的液體所表現(xiàn)出的行為與地球上迥然不同。地球上無法獲得的知識：國際太空站使用了一種利用氨在液體和氣體間循環(huán)的兩相制冷系統(tǒng)在這個過