温度对气体体积的影响(地球的温度关乎生命的源头｜读+)

Posted 2023-06-01

篇首语：男人无志，钝铁无钢，女人无志，乱草无秧。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了温度对气体体积的影响(地球的温度关乎生命的源头｜读+)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

温度对气体体积的影响(地球的温度关乎生命的源头｜读+)

大多数人每天醒来时都会自问：今天要去哪里？现在是什么时候？外面有多冷（多热）？这三个问题，分别对应长度（距离）、时间和温度，这三种衡量确定了生活的节律。

如果说，长度（距离）和时间很容易引发哲思；那么温度则更为微妙、更为切己。人体很容易感知环境温度或体温的少许上下；而从宏观来说，几十亿年前的地球温度，涉及“地球生命的源头”这一问题，宇宙的温度则涉及宇宙形成的奥秘。

正因为如此，理论物理学家、美国宾夕法尼亚大学物理和天文学教授吉诺·塞格雷写了《迷人的温度》一书，这本书还有个副标题——温度计里的人类、地球和宇宙史。这话题实在太大，每个角度都可以写一本厚重大书，在此只能撷取几个细节。

为什么总是37.2℃

《迷人的温度》 [美] 吉诺·塞格雷著上海译文出版社

关于人体温度，有一个还没说清的问题——为什么总是恒定在37.2℃左右？

放一支温度计到一个人的舌头下面，无论他是北极的因纽特人、非洲森林中的俾格米人，或是纽约的一个白领，得到的读数都是相同的。不论人种、性别、年龄，无论是一个月大的婴儿、二十岁的运动员，还是一位百岁老人，都有着相同的体温。即使它只变动2％，人也会觉得痛苦；如果它的升降超过了5％，你就要考虑去急诊室了。人和人的相似，在这一点上真是惊人。

当然了，严格来说，37.2℃只是一个均值。每天15时体温最高，晚上体温最低；此外我们身体的各处温度也不同，皮肤比内脏低，不同的脏器之间，温度也有差异，身体上最热的部位是肝脏。

但是，人体内部有一套调节机制，使我们的体温大致保持在37.2℃附近，这套机制听命于一个深埋于大脑之中的最高控制中心，那就是下丘脑。这个渺小的器官不仅设置温度，也操纵着各种激素的分泌，由此掌控着大量关键的代谢功能。此外，它还调解着人体内的水、糖和脂肪水平，并且指导激素的释放，从而对我们的各种活动进行抑制或是加强。这一小块组织几乎只有一个指甲盖那么大，但它的内部却坐落着原始生命的力量之源，负责生长、情绪和繁殖。

从下丘脑到皮肤，有着两条重要通路，一条是边缘神经系统，另一条是称为“毛细血管”的小型血管所组成的密集网络。

来自这两条通路的信息进入下丘脑，并在其中负责温度调节的部分汇总。如果信息显示身体太冷，毛细血管就会收缩，从而保存热量；如果身体太热，毛细血管就会扩张。不仅如此，下丘脑还会向汗腺发送激素信号，命令它们将汗液通过毛孔排到皮肤外面。它同时还向大脑皮层发送信号，敦促其改变身体的行为，比如穿衣或者脱衣。这是一个在数百万年中演化而成的高效系统。

《迷人的温度》认为，体温恒定的最主要理由，是使动物体内一套复杂的化学反应达到最优，好让它们完成生活中的各项复杂活动，比如，在被狮子追赶的生死关头，同时运行观察、分析、决策、执行等各个系统，能够一边逃命，一边注意到前方地形地物，思考是继续奔跑还是捡起石头搏斗。

那么为什么是37.2℃呢？作者认为，可能是为了适应人类起源的非洲局部地区气温，在此时此地、在这个体温上，人体产生热量的速度和身体热量向外散发的速度大致吻合。这就意味着，人类先祖在很长一段时间里不必考虑穿衣、用火等问题。

体温升高带来的危险已经讲得很多，人体用“出汗”的方式来解决；但是体温过低同样危险。《迷人的温度》讲了一个故事。1987年，长距离游泳健将琳恩·考克斯决定挑战白令海峡，从美国境内游到一个苏联小岛，全程大约8公里，距离不算长，但水面温度是6℃-7℃，水下温度可能低到1℃，以前没有人成功过。

考克斯作了周全准备。其中包括，下水前吞服一枚热感应胶囊，胶囊里有一部发报机，它向随行的船只发送数据，供船上的一名医生随时监测，以免考克斯失温。她用两小时游完了全程，而且始终保持了正常体温。

考克斯的成功还有一个个人原因：她的体格理想，身高168厘米，重82公斤，体脂比几乎是妇女平均值的两倍。不仅如此，她的脂肪在全身均等分布，在外界的寒冷与内脏器官间形成了一道天然的隔热层。正因为如此，她才能活着游完全程，成为横渡白令海峡第一人。

“绝对零度”如何被发现

考克斯在接近0℃的冰水里游泳，但是在科学家看来，真正的零度还没有达到，而且似乎永远不可能达到。

度量的意义，只有在了解了度量的对象之后才会显现出来——换句话说，度量需要目的。我们都知道长度为0、时间为0是什么意思，那么温度为0℃又代表了什么呢？要回答这个问题，就需要对热有更深的理解。英国伯爵波义耳的一组实验，将热量、温度和能量首次联系在了一起。

17世纪，当时实验科学刚刚在英国站稳脚跟，手头富裕的波义耳定居牛津，并且和一群志同道合的人做起了实验、讨论结果。1663年，这群人组成了“增进自然知识伦敦皇家学会”，也就是今天的皇家学会。

波义耳的实验显示，当温度恒定，一团气体受到的压力与它的体积成反比，一个上升，一个就下降，但两者的乘积始终不变。而当温度上升时，气体的体积也会增大，这说明气体的温度和压力、体积都有些关系。

1802年，约翰·道尔顿和约瑟夫·路易·盖吕萨克进一步发现：一旦将压力固定，那么温度每升高1℃，所有气体的体积都会增加原来的1/273；而温度每降低1℃，气体的体积又会减少原来的1/273。比如在10℃时，气体体积会变为原来的283/273；而在-10℃时，它又会变为原来的263/273。总之，气温每变动1℃，气体的体积就会变化1/273。

1804年9月，盖吕萨克乘着热气球飞到约7000米的空中。随着气球的升降，他在各个高度上采集了气体样本、记录它们的温度。他的公式始终有效。由此引出一个惊人的结论：如果在压力不变的情况下，温度每降1℃，气体体积就下降1/273，那么到了-273℃，它的体积就会缩小到0。也就是说，气体的体积和压力的下降，最多持续到-273℃。那是刻度的终点，是气体的最低温度，是名副其实的“绝对零度”。

这是绝对零度的概念第一次进入科学。而且了不起的是，这个概念是完全正确的，就连-273℃都是正确的值（严格来说应该是-273.16℃）。

另一方面，现在的科学水平，只能逼近绝对零度，而无法达到这一真正的零度。如果在网上搜索“绝对零度达不到的原因”，互联网会告诉你：当粒子的运动静止不动时，动能变为零，热能也是零，但是微观粒子是躁动的，粒子的运动不可能停止，因此温度也只能无限接近绝对零度，而无法到达。这是来自粒子物理的解释；而先贤们在19世纪就用烧杯、试管和基本的数学原理测出了这一极限，确实令人感佩。

用温度来度量文明和宇宙

海底烟囱，喷口储藏着丰富的生物、铜矿以及其他贵金属。

关于温度的未解之谜还有不少，比如，我们知道太阳的中心温度，但对地球的中心温度却不甚明了。

1979年，“阿尔文”号深海探测器在墨西哥湾附近一处约2743米深的海沟上方，忽然撞进了一小团黑色的烟雾。它随即被上升的水流裹挟，并撞上一根从海床上升起9米的“烟囱”。

这根“烟囱”似乎由某种柔软的火山材料构成，它是中空的，在探照灯的照射下，那里面闪闪发光，似乎布满了晶体。随着烟囱越来越近，“阿尔文”号外壳上记录到的温度也节节升高。等驶到近旁时，科学家遥控钳臂，将一支温度计通过裂口送进了烟囱内部，然而一送进烟囱，它的读数立刻冲到了顶点。第二天，兴奋的船员再次下潜。他们用一支特制的温度计测水温，它测出的最高读数是350℃。

今天，人们将这些深海热泉称作“海底烟囱”。它们的发现具有重大意义。首先，它们解释了大洋底部何以会出现大量出人意料的矿产：是灼热的水流在巨大的压力之下，将它们从地下深处的矿脉带到了表面，并从那些热泉中喷射出来。典型的海底烟囱在形成之初是一条由富含硫质的酸性水构成的热流。然后，多孔而易碎的硫酸钙开始从海水中析出，它们在喷口周围逐渐堆积成烟囱，并将其中喷出的热水与周围的冷水隔离。这些烟囱的生长速度大约是每天0.3米，最高可以长到15米左右。它们形态各异，表面分布矿苗。有的烟囱只在顶部有一个喷口，有的则浑身遍布喷口。喷口处的热水和2.54厘米之遥的海水，温度可以相差333℃，这是地球上自然形成的最大温差。

更奇妙的是，在这种环境中，仍然有生命，科学家发现了一种“庞贝蠕虫”，在海底烟囱附近进进出出。它们身长10厘米，尾部常常浸泡在77℃的热水中，而它们的头部海水温度只有约20℃。

造物如此神奇，《迷人的温度》感慨：“如果要以温度为标记叙述人类文明的发展，我会引用人类一路以来对火的运用——从狩猎采集到建村定居，再到生产工具，我们制造出了越来越热的火。最初是石器时代的第一堆篝火，然后是用木炭帮助燃烧，接着又用风箱锻造了铜和铁。更进一步，我会说到蒸汽机，说到19世纪伟大的贝塞麦炼钢炉，还有最近的核子时代。我的这部历史将从0度开始，经过500度、1000度、2000度和2500度，直到数百万度。至于最近的这两百年，我可以用实验室中不断创造的低温作为标记。一个接着一个，我们将已知的气体全部液化……我和同事在实验室里制造过几十亿摄氏度的高温，也曾经差了几十亿分之一摄氏度就达到绝对零度……我们常常用时间来度量宇宙、地球、生命、人类和文明的演化，但时间并不总是最好的计量单位。”

（长江日报记者李煦）

【编辑：张靖】

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