物理~ ~物理~
现行初中物理教材在“融化与凝固”一节中提出:“为什么下雪不降温?”根据教工和《十万个为什么气象》卷中的解释,大意是:雪和水结冰,要释放热量;融雪冰融化成水,吸收热量。所以,下雪不冷。
其实这个解释是错误的!
没错,水结冰放出热量,冰融化成水吸收热量,但根据热力学基本定律,物体的热量只能从高温物体传递到低温物体。水与冰雪的相互转换温度为0oC,水结冰向环境释放热量时环境温度会升高,但最高温度不能超过0oC,否则热量的流向会“掉头”;另一方面,当雪融化成水时,它吸收热量并降低环境温度。但最低环境温度不可能降到0oC以下,否则0oC以下的环境会“逆转”冰雪的融化过程。所以,理论上,雪永远不可能低于融雪温度。
那么在现实生活中,雪或者融雪和环境温度有什么关系呢?一方面,冰、雪、水之间转化的物理规律不变,但另一方面,由于一天中早晨和中午的温度不同,同一时间不同地方(如向阳处和背阴处)的温度也不同,雪和脏雪吸热的能力也不同。而且即使环境温度高于0oC,积雪融化也是有一个过程的,也有风速和湿度的影响,让人感觉冷热与物理温度并不完全一致。这就大大复杂化了“雪不冷雪冷”的问题。
要科学判断“雪不冷,雪冷”,首先要搞清楚下雪意味着什么,融雪意味着什么。比如每年第一场降雪的时候,因为雪花是在高海拔形成的,所以高海拔的温度远低于0oC,但此时地面温度往往在0oC以上。这样,雪一落到地上就融化了。虽然在下雪,但雪也随之融化,温度始终在0oC以上。这是雪还是融雪?而且江南下雪的时候积雪融化是很常见的。如果只把这种情况归为雪天,自然会得出“雪不冷,雪冷”的结论。
但严格意义上来说,这种融雪天气不应该归入雪天的范畴。为了便于气象数据的统计归纳,我们是否可以将下雪日和融雪日定义为:“第二天有雪的地方,即使前一天下雪时最高气温在0oC以上,仍然是下雪天。有雪无雪且最高气温高于0oC的天气视为融雪日。”按照这个标准,笔者花了100多元复制了南昌近十年来整个降雪过程的气象资料。虽然根据这些数据做统计判断还是不够,但是我真的没有财力去买更多的资料。
根据南昌近十年降雪过程的统计,雪天平均最高气温为1.5oC,平均最低气温为-2.76oC,雪天平均气温为-0.63oC,另一方面,平均最高气温为3.2oC,平均最低气温为-1.8oC,日平均气温为0.7oC,可以看出,总的来说,雪天气温低于雪天。所以所谓“雪不冷雪冷”在物理学上是不成立的。
既然下雪天气温比下雪天低,为什么说“雪不冷,雪冷”呢?除了本文开头的负面解释,笔者还收集了以下解释:1,干燥保温理论;2、雪风号驱逐舰说;3、辐射散热理论;4.过度杀戮。让我们逐一分析这些解释。
一、干燥保温理论:这种观点认为,下雪时,空气湿度低,比较干燥,使得空气和衣服的保温性能相对较好,而下雪时,空气湿度相对较高,空气传热强,使人感到寒冷。
对此,我们说:下雪的时候,雪花满天飞,融化的时候,到处都是雪和水。在这两种天气中,相对温度都很高,冰的饱和蒸汽压和水在0oC时是一样的,所以下雪天和解冻日的相对湿度应该差不多。据南昌气象统计,下雪天平均相对温度为865438±0.8%,绝对湿度为4.8毫米汞柱。然而,下雪天的平均相对湿度为83.6%,绝对湿度为5.38毫米汞柱。虽然积雪融化时湿度略高,但对空气导热系数的影响几乎为零。至于衣服的保暖性,应该差别不大。所以这种微小的湿度变化不会产生明显的“雪不冷”的效果。上述说法虽有道理,但依据仍然不足。
第二,华说:“雪融化的时候经常刮风,所以看起来很冷。”。根据南昌近几年的气象资料,雪天平均风速为2.3米/秒,雪天平均风速为1.1米/秒。所以这个理论依据是不足的。
三、辐射散热说:“在雪天,太阳一般都是出来的,空气中没有支撑,所以夜间地面热量很容易散失,所以雪天最低温度比雪天低。”根据南昌的统计,雪天平均气温为-2.76oC,雪天平均气温为-1.8oC,雪天最低气温仍然偏低,所以这个理论不成立。
四、矫枉过正说:“雪不冷,雪冷,主要是古人为了强调雪天依然寒冷而作出的矫枉过正的说法。其实还比雪冷。在我国的天气谚语中有许多像这样矫枉过正的说法,如:“立秋后有十八只秋老虎更坏。“也就是说,立秋后天气仍然很热。以上说法有一定道理,可以在这里说一下,供参考。
看了上面的解释,不太懂。对此,笔者根据在农村的调查结果,提出以下新的解释,与大家商榷。
首先,能总结出“雪不冷,雪冷”的人,一定是下层知识分子和劳动者。因为那些达官贵人,进进出出的马轿子和皮衣,家里有个火坑,人老是等着加减衣服,很少觉得冷。按照儒家的传统教育,他们应该只关心修身、齐家、治国、平天下。那些儒家的“不肖子”,想的大多是风花雪月,所以不在乎雪天雪天的冷暖。而中下层的知识分子和劳动者,大多住在茅屋里,出门要靠自己走路,这让他们意识到“下雪天不冷”。
据笔者调查,直到本世纪四五十年代,南昌附近的农村农民基本都住在稻草房里。稻草湿了容易腐烂,不保暖。因此,住在稻草房子里的农民不得不在秋收后的那一年用干草替换他们房子上覆盖的草。时至今日,农民们虽然住进了瓦房,却依然保持着当年的习惯。每年,牛棚里的草应该在冬天开始前彻底更换。问他为什么,他回答说:“冬天不换草,牛会冻死的。”由于中国是季风气候,冬天通常寒冷多雨。因此,在第一场降雪前后,初冬更换的草一般会保持干燥。特别是黄淮流域,冬天很少下雨。即使降雪前下雨,经过一段时间的日晒风吹,也应该是比较干燥的。所以下雪时屋顶的茅草应该是相对干燥的。但融雪时,由于日温差的变化,不可能在同一天将屋顶的雪全部融化。因为雪水的存在,雪水积聚在屋顶,使水有充足的时间渗入茅草屋顶。因为茅草保温主要依靠草包裹的滞气,一旦空气中充满水,屋顶保温就会大打折扣。据测试,水的导热系数是空气的60倍。虽然下雪时平均温度比融化时低1-2OC,但只要茅草湿度增加10%,就足以让人觉得融化时室内温度更低。
由于烹饪等人类活动,室内仍有大量热量产生。另外门窗紧闭(需要贴窗纸),热量不容易散失。即使外面冷到零下十几度,由于雪本身良好的保温效果,茅草与接触界面的温度也可以在-1oC左右。由于厚厚的茅草被雪水浸泡,大量热量外泄,使室内温度接近室外温度。结果室内温度比下大雪的时候还低。室内的人自然会觉得“下雪不降温”。
对于出门在外的人。虽然橡胶在国外已经使用了几百年,但直到本世纪四五十年代,橡胶雨靴才在中国“飞入寻常百姓家”。据笔者调查,四十年代以前,上流社会的人冬天穿皮鞋,中等收入的人穿棉鞋,普通人穿布鞋、麻鞋、草鞋。雨雪天再加一双木屐就好了。而且这款鞋的一个共同点就是不防水。对达官贵人来说无所谓,反正坐轿子进出,但对中下层百姓来说,下雪天要在雪地里踩防水鞋,结果雪水浸湿了他们的鞋袜,脚冷得接近0oC。下雪天,虽然温度低一些,但是没有冰的熔点。雪是“干”的,不会弄湿鞋子。这样鞋子的保暖性是好的,但是脚的温度可要比融雪时鞋袜踩在雪水上的温度高很多。相信大家都知道这一点。俗话说,寒从脚开始,脚冷不仅会让人全身发冷,还容易让人生病。这进一步放大了融雪降温的印象。
总结一下:直到不久前,因为普通人的屋面材料和鞋袜都不防水,所以无论是出门还是在家,普通人在下雪天主观上都感觉比较冷。所以在过去“雪天不冷”的命题是成立的。但这并不意味着下雪天的温度比下雪天高。但是“雪放热,融雪吸热”的传统解释是错误的。