气体与科技

气体滋养了生命，也启迪了人类，如今我们许多领域的科学技术，本质上都建立在对气体的理解和应用上。那么接下来，我们就聊聊气体和科技间的关系。发生在18世纪60年代的工业革命，让人类从农业时代迈向工业时代，而推动这次伟大变革的动力，其实就是一种气体——水蒸气。回顾人类利用蒸汽的历史，得从18世纪的英国采矿业讲起。在过去，采矿是一份高危职业，因为矿井一般都是深入地下的坑洞，英国又经常下雨，所以矿坑里很容易积水。起初，煤矿主们使用由马匹驱动的机械泵来排水，但是牲畜的力量毕竟有限，而且不太稳定，所以为了保证持续盈利，矿主们开始寻求更好的解决方案。

最先进行探索的是英国传教士兼铁匠托马斯·纽科门，纽科门不是科学家，但他凭借对机械的实践了解，率先掌握了驾驭蒸汽力量的方法。他发现，当液态水达到沸点时会变成气态的水蒸气，这时水的体积会增大，反之蒸汽遇冷，重新凝结为液态水时，体积就会迅速缩小。这样一来，如果让蒸汽处在一个密闭的环境里，不断改变其温度，那么蒸气的体积就会不断增大和缩小，从而带动这个密闭空间产生膨胀和压缩的趋势，这样一来，机械动力就产生了。在这个思路的基础上，纽科门设计了一个类似饮料罐形状的气缸，气缸顶部是一个活塞，他先把蒸汽引入气缸，活塞被顶起，然后关闭蒸汽阀门，同时往气缸里喷射冷水来冷却蒸汽，温度下降，蒸汽凝结成水，体积缩小，活塞下压。重复这个过程，活塞就会上下往复运动，这就是最早的蒸汽机。

纽科门的蒸汽机一经问世，就获得了煤矿矿主们的追捧，水泵抽水的效率大幅提高，带来了明显的经济效益。但这种蒸汽机也有一个问题，那就是气缸里不断进入热蒸汽和冷水，会导致气缸的温度频繁变化，特别浪费能源。煤矿主们守着矿洞，不在乎多浪费一些煤，但这种低效率实质上制约了早期蒸汽机的推广使用。后来，英国工程师詹姆斯·瓦特改进了纽科门蒸汽机，他在气缸外面设置了一个单独的冷凝器，把蒸汽冷却的过程独立了出去，这样一来，气缸一直是热的，冷凝器一直是冷的，气缸不再需要被反复加热，蒸汽机的热效率就得到了大幅提升。自此，人类才算是真正掌握了蒸汽动力，正式开启了工业文明的篇章。

在蒸汽机里，气体是推动机器的介质，而在通往家家户户的管道中，另一种气体则成为了完美的能源，这种气体就是甲烷，也叫天然气。甲烷易燃，而煤矿里的甲烷含量很高，所以在很长一段时间里，甲烷爆炸是煤矿事故的主要原因之一。面对这种可以燃烧的气体，科学家和工程师们很早就开始思考，如何驾驭它的力量，让甲烷更好地造福人类，比如照明。在过去，人们照明往往依赖蜡烛和油灯，而使用气体照明，可以省去更换蜡烛的麻烦，如果通过管道大范围推广，气体照明还有明显的成本优势，能够实现城市夜间照明的大规模普及。

首次尝试使用甲烷照明的人是法国工程师菲利普·勒邦，他于1801年在巴黎的一家酒店首次布置了甲烷照明系统。随后在很短时间里，新型照明就开始大范围铺开。1812年，甲烷照明刚刚在英国盈利，到了1826年，甲烷路灯就已经覆盖到英国所有超过一万人的城镇了。伴随着输气管道的铺设，甲烷的用途得到了进一步拓展，它走进千家万户，替代了木材和煤炭，成为家庭烹饪、供应热水和集中供暖的主要能源。如今在世界各地，天然气已经成为一种生活方式，它是气体结合科技，共同造福生活的最典型代表。

除了动力和能源，气体也给人类的交通运输业带来了极大便利。19世纪，欧洲人制造了最初版本的自行车，前后两个轮子的布局，让人可以借助这种工具在城市中轻快地前行。早期自行车的轮子通常由马车制造商生产，轮子是木质的，外面的轮圈则是钢的，这样的车轮坚固耐用，但是骑起来特别颠簸。所以早期自行车也有一个外号——震骨器，如果你曾经骑过爆胎的自行车，就能对这种颠簸领略一二了。后来，有人开发了一种充满空气的橡胶轮胎，并应用在了自行车上面。轮胎内部打入高压空气，当空气受到来自地面的压力时会试图喷射而出，但是因为它找不到逃脱的出口，所以会被进一步压缩，从而增加轮胎内部的压力，这种压力会把车子和人微微推离地面，这样就能减轻骑行时的颠簸。所以当你骑着装有充气轮胎的自行车时，其实就是在空气上面驰骋。

充气轮胎让自行车从玩具变成了大众实用的个体交通工具，骑行不再是颠簸的体验，而是成了充满喜悦的实践。后来，充气轮胎又应用到了包括汽车等在内的很多交通工具上面。可以说，正是在气体的帮助下，人类乘坐带有轮子的交通工具在陆地上探索，才有了大规模推广的可能。和陆地一样，人类在海洋航行时也非常依赖气体的助力。我们知道，地球赤道和两极之间存在很大的温度差，赤道附近的空气受热温度升高，就会膨胀形成高压区域，相对较冷的地方空气收缩则形成低压区，压力差驱动空气流动，再叠加上地球自转的效应，地表就形成了随季节变化、但基本稳定的盛行风。人类很早就发现，如果能恰当地利用盛行风的力量，就能凭借一艘小小的帆船前往非常遥远的地方。早在公元前5000年，波利尼西亚的水手们就开始从风中借力横跨太平洋，最终抵达相距很远的汤加、萨摩亚、大溪地、夏威夷甚至是复活节岛。没人知道当时的水手是怎样经历九死一生，走过这些路线的，但这些壮丽的迁徙无一例外都是气体给人类的馈赠。

说完陆地和海洋，你肯定已经猜到了，我们探索天空的历程也和气体密切相关。人类离开地面的最初尝试是气球，早在1783年，第一个载人氢气球就成功升空，这种气球利用了氢气密度远小于空气的性质。但因为氢气易爆炸，收集成本也比较高，所以后来人们又利用空气受热膨胀、密度降低的原理，制造了热气球和飞艇。至于从20世纪起就统治天空，彻底改变人类远距离出行方式的飞机，更是充分利用空气性质的杰作。根据伯努利原理，在给定高度下，流体中的特定位置速度越快，压强就越低。为此，科学家们巧妙设计了机翼的形状，让机翼上表面的空气流动更快，压强较低，而机翼下表面的空气流动慢，压强较高，这样机翼就会被往上抬升，从而带动飞机离开地面。