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絕熱膨脹

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在進行熱學實驗時,筆者發現有些實驗結果與所謂的常識互相違背,這不禁令人想起愛因斯坦的名言「常識就是累積的各種偏見」。身處資訊爆炸的時代,網路上存在著許多似是而非的錯誤資訊,更讓人感嘆於錯誤知識的一再傳遞比不傳授知識更可怕。愛因斯坦曾說﹕「想像力比知識更重要-因為知識是有限的」;物理學家霍金也如是說﹕「我仍然問東問西,偶爾,我會找到答案」。所以,無論您是老師或是學生,請多問問題吧,放棄所謂標準答案這回事,因為想像力與好奇心永遠比知識更重要。

一份「臺北縣立高中職98 學年度教師聯合甄選」的物理科考題中也出現這樣的題目:「解釋為什麼張口哈氣時,哈出的氣體溫度較高,而噘口吹氣時,吹出的氣體溫度較低」。該份試題提供的答案是:「張口哈氣時,口腔內的氣壓與外界大致相同,因此哈出的氣體約與體內溫度相同,因此會覺得熱熱的。噘口吹氣時,口腔內氣壓比外界高,當氣體到口腔外時會膨脹,因此會對外界做功,溫度會下降」。看到這樣的解答令我感到十分的訝異,這可是一份會影響物理教師能否被聘任的試題,出現這樣的錯誤實在令人遺憾。上網搜尋相關的資料時,發現這份試題的命題者可能是取材自國內某個物理問題討論區,因為該試題解答與那位版主的 論述相同,接著又發現持有這種觀點的人 還真不少

為了驗證是否真的是絕熱膨脹效應所導致,經實際測量煮開水時距離壺口約10公分處的氣體溫度,發現僅約40℃,會造成這麼大的冷卻效果不可能是絕熱膨脹所造成。因為在對流層的氣溫梯度是每上升1公里,溫度會因為氣體絕熱膨脹的因素而下降6.5℃。由於上升1公里的氣壓下降8/76 atm,而煮開水時壺蓋不會被噴開,就可以證明壺蓋的內外壓力差不會比壺蓋重量所造成的壓力大。以下列這個實驗的壺蓋為例,其重量90克重、直徑10公分,重量所造成的壓力也約僅有1/1000 atm。因此可以判斷在這麼微小壓力差的驅使之下,蒸汽經由壺嘴噴出之後,因為絕熱膨脹所造成的溫度下降量就應該遠比6.5℃少很多。那麼煮開水這種高達60℃的冷卻效應(請不要忽略水蒸氣的凝結熱更可觀),就不是絕熱膨脹的因素所造成。那麼到底是甚麼因素會有這麼大的冷卻效果呢?相信讀者們在看完本實驗影片之後,正確的答案就會清晰地浮現出來了。

The important thing is not to stop questioning. ─ Albert Einstein