火焰为什么总是向上走?|No.80

雨水是地表液态水经过蒸发、悬浮，然后在空中凝结，最后重新降落到地表所形成的。这看起来似乎和蒸馏水的形成过程非常相似。而且雨滴看起来也是晶莹剔透没有杂质的，这就很容易给人一种雨水可以直接饮用的印象。其实不然，雨水里含有很多杂质，最好不要直接饮用。雨水中的杂质主要是水汽在空中漂浮的过程中吸收的烟尘、扬尘和细菌等。如果读者还记得之前过冷水可以快速凝结的问答的话，那你一定知道结冰是需要凝结核的。同样，水蒸气凝结也需要凝结核，在空气中往往是漂浮的尘埃充当凝结核的作用，人工降雨就是通过在云层中播撒凝结核的办法形成降雨的。所以，即便是在空气很干净的地区，雨水中也难免含有一些杂质。所以不到万不得已，不要直接饮用雨水。

当可燃物被剧烈氧化就会放出大量的热，大量的热量加热了周围的空气就形成了火焰。可以看出，火焰的温度是非常高的。由于热空气（火焰）的密度比一般的空气小，所以火焰受到周围空气浮力的影响就会向上走。上浮的空气会留下一些空位，这些空位会被被其他的空气填充，这就为燃烧源源不断的输送了氧气，燃烧即可以持续进行下去。在失重情况下情况就不一样了：因为始终环境下没有重力，也就没有孰轻孰重的区别，所以火焰就会包裹在可燃物的周围形成圆形的形状，并不会体现出向上向下的区别。但是因为燃烧的废气不能及时的飘走，这就阻碍了新鲜空气的输入，所以在太空中的燃烧一直处于一种“缺氧”的状态，而太空中的燃烧就要比地面“温柔”很多。

嗯，水在沸点时由液态变成气态叫做沸腾，而常温时由液态变为气态对过程叫做挥发。我们所说的沸点是100^oC意思是在常压（一个大气压）下，水的相变点就是100^oC，这个时候如果继续升温，水会由液相变成气相（这是很剧烈的汽化），有一个相变潜热，需要持续加热才会发生。当然这里说的是静态下的相变过程。水的相变相当复杂，如下图所示（不用看懂，用来提升逼格而已）。

而常温时的挥发又是怎么一回事儿呢？这个时候的水不像研究相变时候的水似的那样“静态“了，也并不是只在相变点才会出现另一个相。液态的水分子总是在不停运动，相互碰撞，这个时候总有几率使得几个“不安分子”能量变高，如果他们运气还比较不错，正好在液体表面，就会有机会最终脱离液体，变成气体。这些“不安分子”运动速度比较快，能量较高，他们在逃逸的过程中是吸热的。这就是挥发吸热了。夏天的时候有汗会比较凉爽也是因为这个。气体形态的水在空气中很稀疏，稀疏到很难凝聚成液态水，这就是为啥水的气体分子可以在常温下长久存在的原因了。

这个问题可以用上面提到的水的相图来解释一下。水由液态变成固态是一级相变，在相变点是可以两相共存的。这个相变中存在着相变潜热，意思就是说，如果要在一个大气压下，使零度的水变成零度的冰，就需要水继续向外释放热量。理论上讲，如果没有一个“更冷”的物体与水接触，使水持续散热，那么水自己是很难变成冰的。甚至在一部分水已经变成冰时，这种冰水混合的状态都是可以持续很久的。

矢量是一种既有大小又有方向的量，又称向量。叉乘是一种运算，由两个矢量得到第三个矢量。新得到的矢量方向怎么确定呢？这个问题不知道你百度过没有，网上有很多答案。但是，讲的都不是很明朗。有一个很好记的方法，我也一直在用。矢量x叉乘矢量y就是右手四指与x方向相同向y方向弯曲，大拇指的方向就是叉乘结果的方向。如下图所示:

不考虑电子关联的情况下，自由电子在晶格中运动时会受到杂质和原子晶格热振动的散射，散射作用越强，电阻越大。根据能带理论将材料分为金属、半导体、绝缘体，现分别讨论温度升高时三类材料的电阻变化。对于金属，具有半充满能带，没有能隙，绝对零度时可以导电，电阻完全由杂质决定；温度升高，电子运动的确会加剧，但对于自由电子数目影响较小，同时晶格振动加剧，散射加强，电阻变大，即电阻随温度升高而增大。半导体具有较小的能隙，对于本征半导体，本征激发起决定性因素，温度升高时，电子易被激发成自由电子，载流子增多，电阻下降。对于杂质半导体，在温度很低时，忽略本征激发，温度升高，杂质电离的载流子越来越多，电阻下降；进入室温区，杂质已经全部电离，而本征激发还不重要，温度升高，晶格振动散射加剧，电阻升高。高温区，本征激发起主要作用，温度升高，本征激发明显，电阻下降。绝大多数绝缘体通常具有非常大的带隙宽度，价带电子很难被激发至导带，电阻极大且与温度无明显依赖关系。以上为定性分析，定量分析详见固体物理教材。

我们用一维弹性介质为例子，来进行简单分析，以说明声波在介质中的传播特性。对一维连续介质中的纵波震动（一般声波都是纵波）做简单的受力分析，可以得到波动方程

其中Φ是振幅，ρ是密度，k是回复力系数。标准的波动方程是：

其中我们就得到了速度的表达式：

这是普适的（虽然模型过于简化，不过可以说明一些问题），任何一维连续介质中的震动传播速度都是这个样子的。

针对这个问题，我们可以看到，速度与密度的关系，是反比的，也就是说对于相同的k，密度越低声音传播速度越快。这可以说明为啥热空气中的声速要比冷空气中的声速快。

那么为啥固体密度比气体的要大，怎么声速反而快呢？这是因为固体中的k值要大得多，实际中我么也有这样的感受，就是固体要比气体“硬”的多，这里的“硬”就是由于回复力系数大。

在这里建立一个简单的模型对这个问题进行解释，我们设想液面上有两个半球形气泡，半径为r，它们吸引后聚集在一起形成的气泡的半径为R，水的表面张力为a，则形成两个半球形小气泡需做功a*4Πr²，形成一个半球形气泡需做功a*2ΠR²,两个小气泡合成一个气泡时，气体体积不变，有：

形成两个小气泡做的功比形成一个大气泡所需的功多，系统自由能增加得多。一般而言，自由能越低，系统越稳定，从自由能角度考虑，在液面上更倾向于聚集在一起形成大的气泡。

真实情况下，液面上形成的气泡形状与液体的表面张力有关，并且气泡的大小存在一定的极限，需要考虑气体气压与外界气压和表面张力引起压强的平衡。