软物质、高压锅和热管

软物质、高压锅和热管

1.软物质
发明“软物质”一词以代替美国人所称呼的“复杂流体”，推动这门跨物理、化学和生物学三大学科的交叉学科发展，并使凝聚态物理学向新世纪转型的第一人，就是1991年诺贝尔物理奖得主--热纳（Pierre-Gilles de Gennes）。
热纳1932年生于巴黎，1957年获博士学位。最初，他的研究兴趣也是集中在硬物质方面。1968年起，他转而研究软物质，开始了液晶、聚合物物理、浸润动力学、附着机制的化学物理研究，并成为这些领域的开创者。
与固体相比，这类物质缺少硬的结构，所以称之为软物质。但是，“软”并不是这类物质的主要特征。热纳对液晶与高分子聚合物以及胶体的研究显示，这些软物质因微弱的外力作用而改变状态的现象，与固体金属的超导相变极为相似。这使他渐渐对相变、序参数等概念有深刻的认识，证明了自然界从简单系统（如超导体）到复杂系统（如液晶、聚合物）都存在统一的相变规律。
二十一世纪被认为是生命科学的世纪，从物质划代角度来看，这也是软物质的世纪。如果没有软物质，生命也不复存在。任何生物结构（包括DNA、蛋白质和生物膜）都是建筑在软物质的基础上。
热纳在《固、特、异的软物质》一书中以橡胶为例，给软物质下了六个很深刻的定义。他指出，2500年前，亚马逊河流域的印第安土著就懂得用橡胶汁涂在脚上做靴子，但这种靴子只能穿一天--由于空气氧化，纯天然的橡胶很快就破碎了。直到1839年，美国人固特异发明了橡胶硫化处理技术，才使橡胶成为坚固耐用的材料。橡胶也就成了第一个实现工业化生产的聚合物。空气中的氧使橡胶长链分子断裂，而与氧同族的硫元素仅仅比氧的化学活性略差一点，却使长链分子结合得更好，这就是软物质的奇异特性：弱力引起强变化。
热纳进一步指出，天然橡胶的每200个碳原子中，只有1个原子与硫发生反应。尽管化学作用如此微弱，却足以使物质的物理性质发生从液态到固态的巨大变化，胶汁变成橡胶。这证明了有些物质会因微弱的作用而改变状态，就如雕塑家以拇指轻压就能改变粘土的外形使之成为一件高贵的艺术品一样。这也正是软物质的基本定义。
千百年来，人们就知道。一点骨胶可以让墨汁维持多年的稳定，一点卤汁可以使豆浆变成豆腐。日常生活中，几滴洗洁精会产生一大堆泡沫，一颗钮扣电池可以驱动液晶手表工作几年……这些例子都展现了软物质的神奇本质：只要提供相对微弱的作用力，它们就可以发生改变--从形状到性质的改变。生物系统的神奇之处也体现在这里：人们的肉眼能够感受到几千光年之遥的星系发出的光；一条嗅觉灵敏的狗，可以根据脚印中残留的气味跟踪某个人，并且在闹市中把这个人的踪迹跟其他人区别开来。生物系统展示着软物质的本质。
（摘自欧阳钟灿《软物质》）
2.高压锅
世界上第一只高压锅是1681年由法国的丹尼斯·帕平发明的。高压锅的工作原理是利用了水的沸点随着压强的增大而升高的规律，提高烹饪过程中水的温度，达到特殊的烹饪效果。目前广泛使用的高压锅主要由锅体、锅盖和安全阀组成。高压锅锅体与其他种类的锅并无差异；锅盖则可以与锅体扣在一起，并采用橡皮密封圈保持锅内封闭；安全阀是高压锅正常工作的关键器件，它的质量较大且经过精确计算，置于锅盖上方的出气口上。在烹饪过程中，给锅体持续加热，由于锅体密封，锅内气体压强逐渐增大，使得锅内水的沸点比常压时要高；当温度升至一定值时，锅内水沸腾；同时，持续上升的锅内气体压强产生了足够把安全阀推起的力，阀门被抬起，锅内的水汽得以排出。此时锅内水温已高于外界环境中的水的沸点，在这样的高温下产生的烹饪效果与常压下大有不同。一般设计民用高压锅的安全阀开启压强值约为2个大气压，沸腾温度约120℃左右．
今天，我国的许多家庭都用上了高压锅，用这种锅做饭熟得快，很省时间。
（资料来源：莫永超）
3.热管
1963年，热管诞生于美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover之手，它巧妙地利用了气液变化过程中的吸放热原理，具备了超过任何已知金属的导热能力。
热管技术的原理比较简单，主要是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量（热管工作流体涵盖从低温应用的氦、氮，到高温应用的钠、钾等液态金属；较为常见的热管工作流体则有氨、水、丙酬及甲醇等）。热管一般是由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。将管内抽至较高的真空度后充以适量的工作流体，使得紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管有两端，分别为蒸发端（加热端）和冷凝端（散热端），两端之间可根据需要采取绝热措施。当热管的一端受热时（即两端出现温差时），毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细作用流回蒸发端。如此循环不已，热量得以沿热管迅速传递。由于蒸发——冷凝的传热过程中，管内工作流体处于饱和状态，因此热管几乎是在等温下传递热量。
热管具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可随意改变，可远距离传热、可控制温度等优点，因此自诞生之日起即应用于宇航、军工等行业，而今在冶金、化工、交通、机械以及电子技术等行业都有了广泛应用。距离我们最近的对于热管技术的应用是日渐风行的PC机中的热管散热器，目前已有商家将之应用于CPU、GPU以及笔记本电脑的散热系统中。相比于传统金属散热器，热管散热器具备低噪声、高效能的技术优势，实现了“绿色”散热。