氣體與科技

氣體滋養(yǎng)了生命，也啟迪了人類，如今我們?cè)S多領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)，本質(zhì)上都建立在對(duì)氣體的理解和應(yīng)用上。那么接下來(lái)，我們就聊聊氣體和科技間的關(guān)系。發(fā)生在18世紀(jì)60年代的工業(yè)革命，讓人類從農(nóng)業(yè)時(shí)代邁向工業(yè)時(shí)代，而推動(dòng)這次偉大變革的動(dòng)力，其實(shí)就是一種氣體——水蒸氣。回顧人類利用蒸汽的歷史，得從18世紀(jì)的英國(guó)采礦業(yè)講起。在過(guò)去，采礦是一份高危職業(yè)，因?yàn)榈V井一般都是深入地下的坑洞，英國(guó)又經(jīng)常下雨，所以礦坑里很容易積水。起初，煤礦主們使用由馬匹驅(qū)動(dòng)的機(jī)械泵來(lái)排水，但是牲畜的力量畢竟有限，而且不太穩(wěn)定，所以為了保證持續(xù)盈利，礦主們開(kāi)始尋求更好的解決方案。

最先進(jìn)行探索的是英國(guó)傳教士兼鐵匠托馬斯·紐科門，紐科門不是科學(xué)家，但他憑借對(duì)機(jī)械的實(shí)踐了解，率先掌握了駕馭蒸汽力量的方法。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)水達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)會(huì)變成氣態(tài)的水蒸氣，這時(shí)水的體積會(huì)增大，反之蒸汽遇冷，重新凝結(jié)為液態(tài)水時(shí)，體積就會(huì)迅速縮小。這樣一來(lái)，如果讓蒸汽處在一個(gè)密閉的環(huán)境里，不斷改變其溫度，那么蒸氣的體積就會(huì)不斷增大和縮小，從而帶動(dòng)這個(gè)密閉空間產(chǎn)生膨脹和壓縮的趨勢(shì)，這樣一來(lái)，機(jī)械動(dòng)力就產(chǎn)生了。在這個(gè)思路的基礎(chǔ)上，紐科門設(shè)計(jì)了一個(gè)類似飲料罐形狀的氣缸，氣缸頂部是一個(gè)活塞，他先把蒸汽引入氣缸，活塞被頂起，然后關(guān)閉蒸汽閥門，同時(shí)往氣缸里噴射冷水來(lái)冷卻蒸汽，溫度下降，蒸汽凝結(jié)成水，體積縮小，活塞下壓。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，活塞就會(huì)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這就是最早的蒸汽機(jī)。

紐科門的蒸汽機(jī)一經(jīng)問(wèn)世，就獲得了煤礦礦主們的追捧，水泵抽水的效率大幅提高，帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但這種蒸汽機(jī)也有一個(gè)問(wèn)題，那就是氣缸里不斷進(jìn)入熱蒸汽和冷水，會(huì)導(dǎo)致氣缸的溫度頻繁變化，特別浪費(fèi)能源。煤礦主們守著礦洞，不在乎多浪費(fèi)一些煤，但這種低效率實(shí)質(zhì)上制約了早期蒸汽機(jī)的推廣使用。后來(lái)，英國(guó)工程師詹姆斯·瓦特改進(jìn)了紐科門蒸汽機(jī)，他在氣缸外面設(shè)置了一個(gè)單獨(dú)的冷凝器，把蒸汽冷卻的過(guò)程獨(dú)立了出去，這樣一來(lái)，氣缸一直是熱的，冷凝器一直是冷的，氣缸不再需要被反復(fù)加熱，蒸汽機(jī)的熱效率就得到了大幅提升。自此，人類才算是真正掌握了蒸汽動(dòng)力，正式開(kāi)啟了工業(yè)文明的篇章。

在蒸汽機(jī)里，氣體是推動(dòng)機(jī)器的介質(zhì)，而在通往家家戶戶的管道中，另一種氣體則成為了完美的能源，這種氣體就是甲烷，也叫天然氣。甲烷易燃，而煤礦里的甲烷含量很高，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，甲烷爆炸是煤礦事故的主要原因之一。面對(duì)這種可以燃燒的氣體，科學(xué)家和工程師們很早就開(kāi)始思考，如何駕馭它的力量，讓甲烷更好地造福人類，比如照明。在過(guò)去，人們照明往往依賴蠟燭和油燈，而使用氣體照明，可以省去更換蠟燭的麻煩，如果通過(guò)管道大范圍推廣，氣體照明還有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)城市夜間照明的大規(guī)模普及。

首次嘗試使用甲烷照明的人是法國(guó)工程師菲利普·勒邦，他于1801年在巴黎的一家酒店首次布置了甲烷照明系統(tǒng)。隨后在很短時(shí)間里，新型照明就開(kāi)始大范圍鋪開(kāi)。1812年，甲烷照明剛剛在英國(guó)盈利，到了1826年，甲烷路燈就已經(jīng)覆蓋到英國(guó)所有超過(guò)一萬(wàn)人的城鎮(zhèn)了。伴隨著輸氣管道的鋪設(shè)，甲烷的用途得到了進(jìn)一步拓展，它走進(jìn)千家萬(wàn)戶，替代了木材和煤炭，成為家庭烹飪、供應(yīng)熱水和集中供暖的主要能源。如今在世界各地，天然氣已經(jīng)成為一種生活方式，它是氣體結(jié)合科技，共同造福生活的最典型代表。

除了動(dòng)力和能源，氣體也給人類的交通運(yùn)輸業(yè)帶來(lái)了極大便利。19世紀(jì)，歐洲人制造了最初版本的自行車，前后兩個(gè)輪子的布局，讓人可以借助這種工具在城市中輕快地前行。早期自行車的輪子通常由馬車制造商生產(chǎn)，輪子是木質(zhì)的，外面的輪圈則是鋼的，這樣的車輪堅(jiān)固耐用，但是騎起來(lái)特別顛簸。所以早期自行車也有一個(gè)外號(hào)——震骨器，如果你曾經(jīng)騎過(guò)爆胎的自行車，就能對(duì)這種顛簸領(lǐng)略一二了。后來(lái)，有人開(kāi)發(fā)了一種充滿空氣的橡膠輪胎，并應(yīng)用在了自行車上面。輪胎內(nèi)部打入高壓空氣，當(dāng)空氣受到來(lái)自地面的壓力時(shí)會(huì)試圖噴射而出，但是因?yàn)樗也坏教用摰某隹冢詴?huì)被進(jìn)一步壓縮，從而增加輪胎內(nèi)部的壓力，這種壓力會(huì)把車子和人微微推離地面，這樣就能減輕騎行時(shí)的顛簸。所以當(dāng)你騎著裝有充氣輪胎的自行車時(shí)，其實(shí)就是在空氣上面馳騁。

充氣輪胎讓自行車從玩具變成了大眾實(shí)用的個(gè)體交通工具，騎行不再是顛簸的體驗(yàn)，而是成了充滿喜悅的實(shí)踐。后來(lái)，充氣輪胎又應(yīng)用到了包括汽車等在內(nèi)的很多交通工具上面。可以說(shuō)，正是在氣體的幫助下，人類乘坐帶有輪子的交通工具在陸地上探索，才有了大規(guī)模推廣的可能。和陸地一樣，人類在海洋航行時(shí)也非常依賴氣體的助力。我們知道，地球赤道和兩極之間存在很大的溫度差，赤道附近的空氣受熱溫度升高，就會(huì)膨脹形成高壓區(qū)域，相對(duì)較冷的地方空氣收縮則形成低壓區(qū)，壓力差驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)，再疊加上地球自轉(zhuǎn)的效應(yīng)，地表就形成了隨季節(jié)變化、但基本穩(wěn)定的盛行風(fēng)。人類很早就發(fā)現(xiàn)，如果能恰當(dāng)?shù)乩檬⑿酗L(fēng)的力量，就能憑借一艘小小的帆船前往非常遙遠(yuǎn)的地方。早在公元前5000年，波利尼西亞的水手們就開(kāi)始從風(fēng)中借力橫跨太平洋，最終抵達(dá)相距很遠(yuǎn)的湯加、薩摩亞、大溪地、夏威夷甚至是復(fù)活節(jié)島。沒(méi)人知道當(dāng)時(shí)的水手是怎樣經(jīng)歷九死一生，走過(guò)這些路線的，但這些壯麗的遷徙無(wú)一例外都是氣體給人類的饋贈(zèng)。

說(shuō)完陸地和海洋，你肯定已經(jīng)猜到了，我們探索天空的歷程也和氣體密切相關(guān)。人類離開(kāi)地面的最初嘗試是氣球，早在1783年，第一個(gè)載人氫氣球就成功升空，這種氣球利用了氫氣密度遠(yuǎn)小于空氣的性質(zhì)。但因?yàn)闅錃庖妆ǎ占杀疽脖容^高，所以后來(lái)人們又利用空氣受熱膨脹、密度降低的原理，制造了熱氣球和飛艇。至于從20世紀(jì)起就統(tǒng)治天空，徹底改變?nèi)祟愡h(yuǎn)距離出行方式的飛機(jī)，更是充分利用空氣性質(zhì)的杰作。根據(jù)伯努利原理，在給定高度下，流體中的特定位置速度越快，壓強(qiáng)就越低。為此，科學(xué)家們巧妙設(shè)計(jì)了機(jī)翼的形狀，讓機(jī)翼上表面的空氣流動(dòng)更快，壓強(qiáng)較低，而機(jī)翼下表面的空氣流動(dòng)慢，壓強(qiáng)較高，這樣機(jī)翼就會(huì)被往上抬升，從而帶動(dòng)飛機(jī)離開(kāi)地面。