太空中古怪的沸腾_趣味物理-查字典物理网

这是一个专门介绍各种科学实验的栏目。实验是科学研究的一部分，它不但是检验理论的利器，更是产生新理论的源泉。这里介绍的实验有的非常简单，但构思非常巧妙，很有意义，读者在家中就可以尝试：有的实验则是比较前沿的课题，非常有趣味，其结果是无法靠想像预测到的。本期介绍是一个关于沸腾的实验。沸腾现象可以说是和我们的生活息息相关的，但它又是一种很复杂的物理现象，里面蕴含着很多奥秘，有一些问题甚至到现在还不十分明了。例如，在没有重力存在的太空中，沸腾现象和地面上有什么不同呢？这个问题在过去是无法回答的。多亏航天技术的发展，我们终于可以目睹太空中奇怪的沸腾现象了。通过这个实验我们可以看到，在不同的条件下，同样一个物理过程的表现可能是迥然不同的。

液体沸腾是地球上司空见惯的现象，但它却是一个十分复杂的物理过程。当装有液体的容器被加热后，由于重力的影响，液体中比较热的部分上升，而比较冷的部分则下降──这就是“对流”。浮力使气泡急速上升，因此产生剧烈的“沸腾”。那么太空中的沸腾又是怎样的呢？

实际上，物理学家一直被地球上沸腾液体的复杂行为所困惑。而弄清沸腾的机理对工程技术人员是很重要的，这不仅仅关系到咖啡壶，更关系到宇宙飞船中的动力和空调系统的设计。

一个由密歇根大学和美国国家航空航天局的研究人员组成的科学家小组决定弄清这些问题。从1992到l996年，在航天飞机所进行的5次飞行使命中，他们使用液体氟里昂进行了一系列的沸腾实验。在实验中，他们发现了液体在地球与太空轨道上沸腾时所发生的一些令人迷惑的不同之处。例如在太空中，液体在无重力条件下沸腾时不是产生成了上万的升腾的小气泡，而是产生一个在液体中起伏的巨大的气泡，且不断夺下其他的小气泡。多亏了美国航空航天局对这一过程的录像，现在我们在地球上就可以观察到液体这种令人迷惑的古怪的沸腾行为了。

弗朗西斯·基亚拉蒙特博士说：“想想看，在这些实验以前，世界上有谁看到过太空中的沸腾呢？这真是人可思议！”基亚拉蒙特是美国航空航天局负责液体沸腾实验的科学家，他说这一系列太空沸腾实验已被研究人员视为“经典”了。

这些录像的确十分有趣，但是科学家研究沸腾问题的热情绝不仅仅是出于简单的好奇。因为一旦了解了液体在太空中是怎样沸腾的，科学家就可以制造出更有效的太空舱制冷系统，例如国际太空站上使用的就是利用氨在液态和气态间转化的空调系统。太空中的沸腾知识也将在某一天被用来制造太空站上的发电站，它用太阳光使液体沸腾产生蒸气，然后通过推动涡轮机产生电力这样的研究同样也将在地球上得到应用。因为失重环境给科学家打开了一个观察沸腾现象的崭新窗口，他们可以借此更好地理解沸腾这个基本的物理现象。

“沸腾现象是如此复杂，以至于我们对它的大部分理解是基于经验，而不是建立在基本的物理方程之上的。”基亚拉蒙特说，“可是，在失重的太空轨道中，沸腾远比在地球上简单。失重环境使对流和浮力的影响消失，这个差异可以解释为什么地球上的沸腾液体的行为与太空中如此不同。它为想解决棘手物理问题的科学家提供了有力的工具。比如说，如果你试图研究地球这样一个复杂的生态系统，你就需要先研究一个变量少一些的比地球简单的对象。对我们来说，太空就可以将研究的问题简化。”

当液体在太空中被加热时，由于没有重力的作用，液体中比较热的部分不再上升，而是紧靠着加热器的表面停留并被继续变热，而远离加热器的区域则相对较冷。因为只有一小部分液体被加热，因此它会更快地沸腾。但是，由蒸气形成的气泡不会冲出液面，而是结合成一个在液体内部晃动的巨大的气泡。虽然这些现象用现有的理论就可以预测，但要想真正了解整个过程的细节，并寻找末预测到的现象，则需要进行真实的实验。

实验的负责人赫尔曼·默特被人们视为微重力沸腾实验之父，正是他发明了记录在录像带上的实验。他说：“我们对许多问题还没有很好地理解。”默特和其他科学家曾利用“下降塔”进行无重力沸腾的早期研究，即通过让高塔上的样品自由下落来实现几秒钟的零重力条件。这些早期实验为设计在航天飞机中进行的实验提供了指南，但这匆忙的一瞥实在不能与在航天飞机上长达几分钟的观察相比。

这些早期研究的一项重要成果就是制造实验用的沸腾室的方法，它使科学家可以看清加热器的表面以及在那里与加热器接触的液体。默特解释说：“这种相互作用就发生在加热器的固体与液体的接触面上，因为液体表面折射的影响，从下面是无法看清楚的。”所以默特用石英制作了一个底面平滑、坚硬透明的沸腾室，然后又给石英覆盖上一层厚度不到400埃的极薄的金层。这样它既能够让可见光自由穿过，又能像一大块金子一样导电。

默特与合作者使用这种装置得到了一些非常有趣的发现。例如，随着实验温度的不同，那个巨大的气泡有时漂浮在液体的中心，有时则附着在与加热器相邻的表面。当出现后一种情况时，气泡将有效地将液体与加热器隔离起来，使液体不再进一步沸腾并导致加热器的温度急速升高。而确切地了解发生这种情形的条件，对设计太空舱系统中依靠沸腾工作的装置是至关重要的。默特说：“如果比较好地理解了这个现象，我们就能做出最佳的设计。假如还有一些不确定的因素，那就应该继续设计出更好的实验去弄清楚它。”

今天，科学家们还在继续进行这项基础实验以了解更多的知识。随着科学家对液体沸腾现象史深入的了解，工程师将会对制冷和动力系统的设计进行改进以便更好地服务于人类，这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。

迥然不同的沸腾：这一系列图片对地球上和太空中液体的沸腾过程做了比较。由于不存在浮力和对流的作用太空中沸腾的液体所表现出的行为与地球上迥然不同。