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當氣體粒子像失控的幼兒園,空氣溫度就會變得比較高!

(圖片提供/商周出版)

什麼是溫度:失控的幼兒園

廚房爐子上正滾著一鍋沸騰的紅豆湯,熱氣冉冉上升,濃郁的香氣瞬間將我拉回童年。

小時候就讀的幼兒園距家不到一百公尺,每天早上我都會在半途的小路口向母親行禮道別,然後快步走進幼兒園,以免錯過我最愛的點心時間。夏天廚房阿姨會盛來一小碗冰涼的紅豆湯,冬天則是熱的。「讀幼兒園就是為了吃點心啊!」讀中班的我心裡這麼想,家裡的早餐一向只有吃飽的食物,沒什麼甜食點心,「早知道讀幼兒園這麼好,我小班就來了!」

點心時間結束後,就是全校集合的時間,小朋友們整齊劃一地列隊站在戶外遊戲場上,彼此維持一個手臂的距離。印象中,園長總是滔滔不絕訓著話,就像伸縮喇叭一樣發出叭啦叭啦嘈雜的聲音,而小朋友們雖然勉強站在原位,卻很難忍著不動,一會兒摸摸別在圍兜上的小手帕,一會兒伸進口袋裡看玩具還在不在,身體搖來晃去動個不停。

盛夏強烈的陽光直射遊戲場,草地旁的小水池反射著耀眼的陽光,總算忍耐到園長講完話,小朋友們像箭一樣爭相衝向遊戲場邊的遊具,人人都想搶到最好玩的溜滑梯!還記得有一回我的玩伴小蔡一馬當先衝上溜滑梯一躍滑下,「啊,好燙!」原來是金屬溜滑梯被太陽晒得能燙人屁股。

小朋友笑成一團,一群人爭先恐後推擠著要上去試一下到底有多燙,大家在遊戲場上追趕跑跳的樣子,是紅豆湯之外,留在我心中最鮮活的幼兒園印象。

溫度,是粒子晃動的速度

當我開始研究溫度,發現空氣粒子與空間的關係, 像極了活潑的幼兒園生和他們的遊戲場。如果我們把幼兒園的戶外遊戲場想成一個密閉的空間,小朋友視為空間內氣體的粒子,那他們不規則的移動或搖晃的速度(註1),就是空氣溫度。當氣體粒子緩慢晃動,就像小朋友們站在原地東摸西摸地聽講,氣溫就比較低;當氣體粒子如小朋友失控地跑動及四處碰撞,空氣溫度就會變得比較高了。

那靜止的液體中的水分子也是會晃動的嗎?美國知名的諾貝爾物理獎得主,被稱為科學頑童的理查.費曼是這麼描述的:如果把一顆水滴放大200萬倍變成24公里寬,仔細觀察它,水滴表面並非那麼平滑,「看來倒像是從遠處看著足球場內萬頭鑽動的觀眾。」放大到10億倍時,就會看到每顆水分子都是不斷地搖晃、碰撞、旋轉,同時扭來扭去。

水分子和空氣粒子的活躍表現很類似,水分子彼此貼近且晃動較小時,代表液體溫度較低,水分子距離很遠且晃動很大,代表液體溫度較高。沸騰則是晃動的極致,每個水分子在劇烈的晃動下掙脫束縛,以水蒸氣的形式離開。即使是常溫, 液體表面的水分子也會因自己的晃動及同伴的碰撞,從液態變成氣體脫逃水面,這就是蒸發,在風速愈大,空氣愈乾燥的條件下愈明顯。

最後,像是金屬溜滑梯、建築物的牆壁、柏油路面這類的固體,則常用表面溫度來描述它的分子晃動的速度。但固體是個不動如山的傢伙,分子之間緊密相連,溫度再高,分子也只能在原處振動無法逃脫。

溫度如何量測及正確解讀

你手上這本書的封面寬度是幾公分長?這個問題並不難,拿一把尺就可以直接量測,因為這本書是真實具象的物體,你手上這把尺也有公訂的標準刻度,所以任何人在任何地方量測這本書的寬度,都會得到相同的結果。然而,溫度是粒子的動能,是沒辦法直接量測的, 只能間接量測某一種性質來進行溫度的推估。

要量測空氣溫度,最直覺的就是國小自然課使用的棒狀玻璃溫度計,利用玻璃管裡的水銀或染色酒精,藉由熱脹冷縮產生升降,再配合安德斯.攝爾修斯(Anders Celsius)以水的冰點為0℃、沸點100℃定義的攝氏刻度,來間接反應出環境的氣溫。

若你拿一個溫度計站在炎熱的太陽下,量到的可就不是空氣溫度。傳統玻璃溫度計量到的是外層覆蓋的玻璃溫度,而電子式溫度計量到的則是密閉塑膠殼內的空氣溫度,不論哪一種溫度計,都會因為受到太陽強烈的照射,而使測得的氣溫異常升高。

所以,正確量測空氣溫度的方式,應該是將溫度計移到一個有陰影且通風好的地方,放在氣象站觀測坪上那間有百葉窗看似養鴿子的小木屋,也就是史蒂文生式(Stevenson)百葉箱裡,這是量測空氣溫度的最佳場所。

而表面溫度的量測又與空氣溫度大不相同,你可以將溫度計緊貼在物體表面,或是利用物質會依照表面溫度釋放出輻射量的特性,拍攝紅外線影像來推估表面溫度。COVID-19疫情期間大家對於這種影像應不陌生,紅色或紫色就代表你身體的溫度較高,不管是發燒或是提了一碗熱湯,應該都逃不過它的法眼。

雖然大家都知道空氣溫度和表面溫度的差異,但是我們常不自覺會進行錯誤的量測或解讀。新聞報導中誇張地打了一顆生蛋在柏油路面煎到吱吱作響,只能說明柏油的表面溫度高且熱傳導好,無法代表上方的空氣溫度一定很高,兩者不見得有密切的關聯。

就像幼兒園那座金屬溜滑梯,即使表面溫度高到燙手,但上方的空氣溫度也許仍維持常溫,廚房內即使有好幾鍋煮沸中的紅豆湯,室內空氣溫度也上升不了多少。這是因為表面溫度對空氣溫度的加熱效果有限,同時空氣也因持續流動而讓氣溫維持穩定。

溫度教會我們什麼事?

如同史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)在《時間簡史》中闡明的:世界上沒有什麼東西是靜止不動的。萬物會依照內部分子失序的程度來呈現它的溫度,不論是微幅晃動或劇烈碰撞,這本為自然界再正常不過的狀態。萬物也正是透過振動,以溫度來證明它真實存在的事實。所以應該把溫度看作是失控無序的現象,還是被人們享受並珍惜的自然界恩賜呢?

人們有沒有可能將溫度的變化視為一個自然循環變化的狀態,在夏天享受皮膚發熱流汗,在冬季體驗身體毛孔收縮,不過度控制也不無端干擾,與環境建立長久永續的互動關係呢?

分子的振動,牽引著地球上溫度的起伏變化。接著我們要來探索,什麼樣的振動,讓地球有剛剛好的溫度─能讓人類及所有生活在此的生物孕育生命。

消暑涼方01:四季的溫度變化本是自然循環。我們要充分感受、體驗溫度的變化,維持身體適應的本能,而非一味與自然對抗。

註1: 更精確地說,是動能。溫度的本質可看成是原子及分子平均移動動能(即質量與速度的乘積)的度量。氣體分子的平均動能,與氣體的絕對溫度呈正比。

本文出自商周出版《跳出溫度舒適圈─從狐獴、原始人、蛋炒飯的小故事,教你少開冷氣也能活的21個消暑「涼」方》一書

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