Question

青藏铁路：三大措施保持路基冻土．
青藏铁路要穿越“千年冻土”区，必须攻克的难题之一是：只有设法保持该区域的冻土不受夏季高温影响，确保路基坚固、稳定．大家都知道：严寒的冬季，冻土是坚硬的，而外界气温升高时冻土会熔化，使路基硬度减弱，甚至变软，火车的重压会使路基及铁轨严重变形．因此，如何确保冻土的状态在夏季与冬季一样，就成了必须解决的难题．我国科技工作者创造性地解决了这一难题，并且，其中的三个关键措施都只运用了简单的物理知识．
一是“热棒”：被称为不用电的“冰箱”．在冻土区，路基两旁插有一排碗口粗细、看上去像护栏的金属棒，这就是“热棒”．它们的间隔为2m，高出路面2m，插入路基下5m．棒体是封闭中空的，里面灌有液态的氨，外表顶端有散热片．我们知道，酒精比水更容易变成气体，而液态氨变成气体比酒精还要容易．正是液态氨在“热棒”中默默无闻地工作，使它成了在夏季保持路基冻土的“冰箱”．
二是“抛石路基”，被称为天然的“空调”．在冻土区修筑路基时，其土层路基的中间，抛填了一定厚度的碎石块，碎石之间的空隙不填实，并且与外界空气相通．这样的结构具有“空调”的功能，使得冻土层的温度基本不随外界气温变化，能有效地保持冻土的稳定性．
三是“遮阳板路基”：被称为隔热“外衣”．遮阳板路基，是在路基的边坡上架设一层遮挡太阳的板材，能有效地减弱太阳热对路基温度的影响．
（1）根据所学物理知识，简要说明“热棒”的“冰箱”原理．
（2）联系“温度对空气密度的影响及空气对流”等知识，简要说明“抛石路基”的“空调”原理．

Answer

（1）当路基温度上升时，液态氨蒸发加快，吸收热量，由液态变为气态，这是一种汽化现象，温度很高的气态氨上升到热棒的上端，通过散热片将热量传到空气中；气态氨由于放热温度会降低，液化成液态氨，又沉入了棒底．这样，冻土层的温度变化较小，就不易熔化．
（2）夏季来临，当路基表面温度上升时，空气的密度降低，二路基冻土中的温度较低，空气密度较大，这样热、冷空气就不易流，形成了外界与冻土的隔热层．当冬天来临时，冻土路基的外界温度较低，空气温度较低，空气密度大，二路基冻土温度较高，空气密度小，无形中形成热、冷空气对流，使路基冻土层温度降低，保护了冻土的完整性．
答：（1）当外界气温高时，液态氨受热发生汽化，上升到热棒上端，通过散热片向空气散热，气态氨冷却又液化成液态氨，下沉到棒的下部．如此往复循环，不断地将路基中的热散发出去，从而使路基的温度基本不变，保证了路基的稳定性．
（2）夏季来临，路基表面温度上升，外界空气密度减小，而路基冻土的温度较低，碎石空隙中的空气密谋较大，这样，上热下冷的空气不易发生对流，形成了外界与冻土之间的隔热层．冬季来临，外界空气温度低、密度大，而路基冻土层的温度相对较高，碎石空隙中的空气密度相对较小，这样，上冷下热的空气形成对流，使路基冻土层的温度降低．