蟋蟀先生，今天氣溫幾度？：愛因斯坦也不知道的109個科學謎題

爐火愈大，義大利麵能愈快煮熟嗎？
我總是在很忙的時候煮開水，所以把火力開到最大。但是當水開始沸騰時，我必須把火力調低以免水濺出；但我又希望水能盡可能地熱，以便快速烹煮食物。有沒有什麼方法能使水更熱，而且不需要事後擦地板呢？

　　抱歉，就算你使用的是火燄噴射器，只要水一開始沸騰，就不會變得更熱。不論你讓水沸騰得多激烈，它也不會比水的沸點熱—華氏212度（攝氏100度）上下（請參考第279頁有關「上下」的小爭論）。
　　讓我們仔細觀察當我們將水一路煮到沸騰時，水裡會發生的事。剛開始煮水時，它的溫度會上昇（因為水分子吸收了熱能，所以動得愈來愈快）。後來，有些水分子能量充足，多到足以脫離原本附著的夥伴。高能量的分子甚至可能擠開夥伴並在液體內形成空間—氣泡；氣泡隨後上昇，並且在水面破裂成一團水氣（一種氣體）。在這團氣體離開水面稍遠，並且冷卻凝結成名為「水蒸氣」的微小水滴前，我們還看不見這些氣體。

　　我們把這整個複雜的過程叫做「沸騰」。歸根究柢就是：水吸收了加進去的熱，而且利用它從液體變成氣體。 　　液態水轉變成氣態水會消耗能量，因為需要能量使分子互相掙脫。如果分子不靠在一起，水就不會是液體；它將永遠是氣體，是各自獨立飛行的疏散分子。每一種液體都有自己的分子吸引力，因此各自有掙脫所需的能量，也因此有自己的沸點—達到華氏212度（攝氏100度）的溫度才能使水分子互相掙脫。

　　現在讓我們加強火力。每秒鐘，我們自火燄中加進愈多熱能，就有愈多水分子獲得足夠能量脫離，並且以氣體狀態噴出。水會沸騰得更激烈，而且更快燒乾。 　　　但是那些多加的熱不會使水溫昇高，因為一個分子除了脫離時所需的能量外，多獲得的能量就會隨著分子飛走。只要分子一獲得多於掙脫時所需的能量，它就會比平常更快速離開。多加的能量與高溫（第311頁）都在水蒸氣裡而不是留在鍋中的水裡。在水燒乾前，它的溫度都一樣—停在水的沸點。 　　火開得再大也不會更快煮熟義大利麵。節省一些能量吧。
趣味小實驗 在溫和沸騰與激烈沸騰時，你可以試著將有探針的烤肉專用溫度計分別放在水鍋上方的蒸氣裡及水裡，並檢查一下。你會發現兩種沸騰的水溫相同，但是水激烈沸騰的水蒸氣會比較熱。

Tips 無論鍋底下的火多熱，鍋裡的水不會更熱。

蟋蟀先生，今天氣溫幾度？
　　我在某一本書看到可以藉著聽蟋蟀鳴聲而判斷溫度，要怎麼判斷？
　　計算牠們的鳴聲次數。 　　
　　一切冷血動物的身體機能在溫度較高時運行較快。只要比較螞蟻在冷天與熱天的奔走速率就知道了。蟋蟀也不例外。牠們鳴叫的速率與溫度直接相關，你只需要換算的公式就能瞭解牠們的訊息。

　　這個現象的化學性超過牠的生物性。所有的生物都受到化學反應支配。一般而言，化學反應在高溫時進行得更快，原因在化學物質必須互相接觸才能夠發生反應—分子實際上撞到別的分子。溫度愈高，分子運動愈快（第311頁），而且愈頻繁地相撞與發生反應。化學家喜歡用的粗略規則是溫度每升高攝氏10度，化學反應就加快一倍。

　　幸運的是，我們這些溫血動物，因為身體一直維持恆定的溫度，所以維持相當恆定的生命步調。不過，蟋蟀在比較溫暖時，鳴叫聲就會變得比較快。最好聽的是北美洲的雪樹蟋蟀。但是如果你分辨不出蟋蟀種類，別擔心，普通野蟋蟀鳴叫的速率都差不多。

　　以下就是如何聽蟋蟀鳴叫判斷溫度的方法：計算牠們15秒內的鳴叫次數，然後加40，就會得到華氏溫度。 　　當美國有一天終於轉換到公制後，蟋蟀依法就應該按照攝氏溫度來鳴叫。你可以計算蟋蟀8秒鐘內的鳴叫次數，然後加5就可以得知攝氏溫度。
　　必須注意一件事，蟋蟀公告天下的是牠當時所在位置的溫度。除非你爬到樹上，或蹲在草裡，否則你的溫度與蟋蟀不完全一樣。
為什麼鐵達尼號會沉，冰山卻不會？ 為什麼冰山與冰塊會漂浮？固體難道不是通常會比液體重嗎？

　　對，通常是，但水是個例外。這個問題聽起來可能很容易，答案的重要性卻攸關生死。如果冰不會浮在水上，我們今天甚至可能不會在這裡納悶它不會浮的原因。

　　讓我們看看如果冰會沉到液態水底，那會發生什麼事。每當史前時代的天氣冷到能凍結湖泊、河流或者池塘表面時，冰會立即沉到水底。當冰塊上方有那麼多水隔熱，隨後的溫暖天氣可能根本不會熔化水底的冰。接著，下一次結冰將會在水底積存另一層冰，如此繼續下去。
　　要不了多久，除了赤道附近永不結冰的地帶外，地球上大部分的水都會凍成固體並從水底堆積上來。即使是溫暖的季節，也可能沒有足夠時間熔解到底層。而那些原本經過演化後形成我們的原始海洋生物，可能根本就沒機會發展。這個世界將會相對地缺乏生命氣息。

　　固態的水（冰）浮在液態的水上面是我們如此熟悉的事，以至於我們沒有意識到它其實是不尋常的現象。當大部分的液體凍結時，就相同體積而言，固體形態比液體形態更重、密度更大。那正是我們所預期的事，因為固體裡的分子比自由流動的液體分子堆積得更緊密，所以固體自然比較重而且會下沉。你可以利用在平常溫度就會凝固的液體—例如石蠟—來試看看。 趣味小實驗 把一塊固體的蠟放進熔化的蠟裡，然後看著它下沉。固態的金屬、油類、酒精等等，放進它們的熔解態都有相同結果。但若是進行把冰塊放進一杯水的實驗，你會得到相反的結果—冰塊會浮起來。

　　水反其道而行的原因在於水分子在冰塊裡是以獨特的相互連接方式存在。他們是藉著水分子之間的橋樑（氫鍵。第132頁）來連接的。讓我們想一想橋的作用。住在布魯克林（位在紐約市長島）的人或許會說布魯克林大橋把布魯克林連接到曼哈頓（位在紐約市曼哈頓島），但是曼哈頓區的人或許會堅稱這條橋分隔了布魯克林與曼哈頓。就某一種意義而言，他們都是對的，氫鍵對於冰裡面的水分子的作用也是這樣—它們把分子結合在一起但是也保持它們相隔某個距離。
　　所以水分子會形成類似開放的格子狀結構，而不像是其他固體裡的分子那麼緊密地擠在一起。分子在冰裡的相隔距離比在液態水裡更大，所以冰占據的空間更大。一定重量的水在冰的形式比在液體的形式多占據9%的空間。
趣味小實驗 仔細觀察冷凍櫃製冰盤裡的冰塊，你會注意到冰塊具有小小的山峰。冰塊在凍結過程中必須膨脹，因為旁邊和底部都受到限制，唯一能膨脹的方向就是上方了。

如果結冰中的水因為受到限制而不能膨脹，那麼它在膨脹時就會試圖撐破最堅固的容器。這也是為什麼水管與汽車引擎會被裡面結冰的水撐破的原因。 　　冰裡面的橋樑不是在凍結的一瞬間突然形成的。當我們開始把水從室溫冷卻下來時，水的密度就像其他液體一般愈來愈大，因為分子運動變慢所以不需要那麼多活動空間。大部分的液體在凍結前會一直增加密度，於是固態的密度是最高的。但水可不是這樣。

　　水的密度只增加到某一點就停止。當水冷卻到華氏39.16度或者攝氏3.98度之後，它開始反方向進行—隨著水面冷卻而減少密度。這是因為某些橋樑開始形成。最後，在華氏32度（攝氏0度）時，所有橋樑就定位，水凝結成冰而且密度降低到在所有溫度下的最低值。這也是為什麼冰會浮在任何溫度的水上的緣故。 　　水在華氏39度具有最大密度的事實，對生物有進一步的重大影響。當寒冷天氣冷卻淡水湖泊的表面時，表面水的密度會增加並下沉。其他的水開始取代它的位子，繼續被冷卻且下沉。這會持續進行到湖裡所有的水都被冷卻到最大可能的密度—在華氏39度的密度—然後下沉。接著表面上的水才會繼續冷卻那最後的華氏7度，而在華氏32度時形成冰。

　　當湖泊上能夠形成表層冰的時候，湖裡全部的水都處於華氏39度的溫度。不論天氣再冷，任何低於華氏39度的水都留在上面（因為它比較輕），於是底下的魚不會冷到凍結。 　　這也是水的特異行為—容許地球生命存在的另一個原因。
知識補給站 為什麼只有南、北極附近的海洋會結冰？ 在真實的淡水中，溫度變動、風、水流與其他混合現象會弄亂前述提到的層次分明的水溫。只有在「其他一切條件相同時」（這是個萬用卸責藉口），我們剛才說的現象才會占上風。 不過，在海洋裡卻不太是這麼一回事。 因為海水含有足量的鹽，所以不會在華氏39度時具有最大密度。當海水溫度下降時，它只是不斷增加密度而且不斷下沉直到它的凝固溫度。如果要在海面上形成冰，所有水的溫度必須先降到凝固點。而這只有在靠近南、北兩極長期嚴寒的冬天才會發生。

爐火愈大，義大利麵能愈快煮熟嗎？我總是在很忙的時候煮開水，所以把火力開到最大。但是當水開始沸騰時，我必須把火力調低以免水濺出；但我又希望水能盡可能地熱，以便快速烹煮食物。有沒有什麼方法能使水更熱，而且不需要事後擦地板呢？　　抱歉，就算你使用的是火燄噴射器，只要水一開始沸騰，就不會變得更熱。不論你讓水沸騰得多激烈，它也不會比水的沸點熱—華氏212度（攝氏100度）上下（請參考第279頁有關「上下」的小爭論）。　　讓我們仔細觀察當我們將水一路煮到沸騰時，水裡會發生的事。剛開始煮水時，它的溫度會上昇（因為水分子...