氣體與科技

氣體滋養了生命，也啟迪了人類，如今我們許多領域的科學技術，本質上都建立在對氣體的理解和應用上。那么接下來，我們就聊聊氣體和科技間的關系。發生在18世紀60年代的工業革命，讓人類從農業時代邁向工業時代，而推動這次偉大變革的動力，其實就是一種氣體——水蒸氣?；仡櫲祟惱谜羝臍v史，得從18世紀的英國采礦業講起。在過去，采礦是一份高危職業，因為礦井一般都是深入地下的坑洞，英國又經常下雨，所以礦坑里很容易積水。起初，煤礦主們使用由馬匹驅動的機械泵來排水，但是牲畜的力量畢竟有限，而且不太穩定，所以為了保證持續盈利，礦主們開始尋求更好的解決方案。

最先進行探索的是英國傳教士兼鐵匠托馬斯·紐科門，紐科門不是科學家，但他憑借對機械的實踐了解，率先掌握了駕馭蒸汽力量的方法。他發現，當液態水達到沸點時會變成氣態的水蒸氣，這時水的體積會增大，反之蒸汽遇冷，重新凝結為液態水時，體積就會迅速縮小。這樣一來，如果讓蒸汽處在一個密閉的環境里，不斷改變其溫度，那么蒸氣的體積就會不斷增大和縮小，從而帶動這個密閉空間產生膨脹和壓縮的趨勢，這樣一來，機械動力就產生了。在這個思路的基礎上，紐科門設計了一個類似飲料罐形狀的氣缸，氣缸頂部是一個活塞，他先把蒸汽引入氣缸，活塞被頂起，然后關閉蒸汽閥門，同時往氣缸里噴射冷水來冷卻蒸汽，溫度下降，蒸汽凝結成水，體積縮小，活塞下壓。重復這個過程，活塞就會上下往復運動，這就是最早的蒸汽機。

紐科門的蒸汽機一經問世，就獲得了煤礦礦主們的追捧，水泵抽水的效率大幅提高，帶來了明顯的經濟效益。但這種蒸汽機也有一個問題，那就是氣缸里不斷進入熱蒸汽和冷水，會導致氣缸的溫度頻繁變化，特別浪費能源。煤礦主們守著礦洞，不在乎多浪費一些煤，但這種低效率實質上制約了早期蒸汽機的推廣使用。后來，英國工程師詹姆斯·瓦特改進了紐科門蒸汽機，他在氣缸外面設置了一個單獨的冷凝器，把蒸汽冷卻的過程獨立了出去，這樣一來，氣缸一直是熱的，冷凝器一直是冷的，氣缸不再需要被反復加熱，蒸汽機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力，正式開啟了工業文明的篇章。

在蒸汽機里，氣體是推動機器的介質，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，所以在很長一段時間里，甲烷爆炸是煤礦事故的主要原因之一。面對這種可以燃燒的氣體，科學家和工程師們很早就開始思考，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，如果通過管道大范圍推廣，氣體照明還有明顯的成本優勢，能夠實現城市夜間照明的大規模普及。

首次嘗試使用甲烷照明的人是法國工程師菲利普·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。隨后在很短時間里，新型照明就開始大范圍鋪開。1812年，甲烷照明剛剛在英國盈利，到了1826年，甲烷路燈就已經覆蓋到英國所有超過一萬人的城鎮了。伴隨著輸氣管道的鋪設，甲烷的用途得到了進一步拓展，它走進千家萬戶，替代了木材和煤炭，成為家庭烹飪、供應熱水和集中供暖的主要能源。如今在世界各地，天然氣已經成為一種生活方式，它是氣體結合科技，共同造福生活的最典型代表。

除了動力和能源，氣體也給人類的交通運輸業帶來了極大便利。19世紀，歐洲人制造了最初版本的自行車，前后兩個輪子的布局，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，輪子是木質的，外面的輪圈則是鋼的，這樣的車輪堅固耐用，但是騎起來特別顛簸。所以早期自行車也有一個外號——震骨器，如果你曾經騎過爆胎的自行車，就能對這種顛簸領略一二了。后來，有人開發了一種充滿空氣的橡膠輪胎，并應用在了自行車上面。輪胎內部打入高壓空氣，當空氣受到來自地面的壓力時會試圖噴射而出，但是因為它找不到逃脫的出口，所以會被進一步壓縮，從而增加輪胎內部的壓力，這種壓力會把車子和人微微推離地面，這樣就能減輕騎行時的顛簸。所以當你騎著裝有充氣輪胎的自行車時，其實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用的個體交通工具，騎行不再是顛簸的體驗，而是成了充滿喜悅的實踐。后來，充氣輪胎又應用到了包括汽車等在內的很多交通工具上面?？梢哉f，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，才有了大規模推廣的可能。和陸地一樣，人類在海洋航行時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，就會膨脹形成高壓區域，相對較冷的地方空氣收縮則形成低壓區，壓力差驅動空氣流動，再疊加上地球自轉的效應，地表就形成了隨季節變化、但基本穩定的盛行風。人類很早就發現，如果能恰當地利用盛行風的力量，就能憑借一艘小小的帆船前往非常遙遠的地方。早在公元前5000年，波利尼西亞的水手們就開始從風中借力橫跨太平洋，最終抵達相距很遠的湯加、薩摩亞、大溪地、夏威夷甚至是復活節島。沒人知道當時的水手是怎樣經歷九死一生，走過這些路線的，但這些壯麗的遷徙無一例外都是氣體給人類的饋贈。

說完陸地和海洋，你肯定已經猜到了，我們探索天空的歷程也和氣體密切相關。人類離開地面的最初嘗試是氣球，早在1783年，第一個載人氫氣球就成功升空，這種氣球利用了氫氣密度遠小于空氣的性質。但因為氫氣易爆炸，收集成本也比較高，所以后來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世紀起就統治天空，徹底改變人類遠距離出行方式的飛機，更是充分利用空氣性質的杰作。根據伯努利原理，在給定高度下，流體中的特定位置速度越快，壓強就越低。為此，科學家們巧妙設計了機翼的形狀，讓機翼上表面的空氣流動更快，壓強較低，而機翼下表面的空氣流動慢，壓強較高，這樣機翼就會被往上抬升，從而帶動飛機離開地面。