在中国北方的一些省份,如河南、河北、山东、山西等,人们的主食主要是面食,而制作面食的粮食作物主要是那里的夏粮--麦子。农民在贮藏麦子之前,都要把麦子晒干。晒麦子的时候,通常选个大晴天,把麦粒平铺在打麦场或自家的院子里,在太阳底下爆晒。但是,贪吃的羊儿有时会趁人不备偷吃麦子,当吃了过量的麦粒的时候,羊儿就会被撑死了,而猪则从来没有发生过这样的情况,这是什么原因呢?
我们知道,六蓄如牛、马、猪、羊、狗、鸡是农村的主要家养的动物,其中牛、羊属反刍类动物。该类动物的消化器官胃有一个特点,不像其它动物的胃是单室胃,而是复胃。所谓复胃,就是该类动物的胃分为4个室,分别称为瘤胃(Rumen)、网胃或蜂巢胃(Reticulum)、辨胃(Omasum)和皱胃(Abomasums). 其中,前3个胃是食道的变形,我们称为前胃,不分泌胃液,主要起贮存食物和发酵分解粗纤维的作用。因此,这类动物进食时,食物并未进行充分咀嚼,就把混有唾液食物吞入前胃,贮存起来,等有时间时再把食物从前胃逆行入口腔进行咀嚼。反刍类的这种行为可以有助于减少被天敌的捕杀机会,从而在大自然的自然选择中处于优势,才不会被大自然淘汰。复胃虽然有优点,但也有缺点,那就是,当这类动物过量地吃了干燥的麦粒时,因为其前胃的胃液被麦粒吸收,它们就会喝大量的水,麦粒遇水体积就会发胀,当麦子的总体积突破了其前胃所能承受的极限,前胃的组织就会被撑裂,从而导致了它们的死亡,山羊的死就是这种情况。
这种似乎令人信服的解释,忽视了一个问题,即,麦粒见水体积为什么会变大呢?现在我们假设一粒麦粒浸泡于水中,由我们日常观察所得的知识,麦粒的体积是会增大的,也就是说,麦粒内部的空间变大了,那么,这些增大的空间被什么充满了呢?由观察可知,是水。由此我们可以得知,当麦粒进入水中后,水分子就会进入麦粒内,增大了麦粒的体积。这说明了什么呢?这说明了水分子具有可以挤进麦粒体内的能力。就是这种能力,才能使麦粒的体积增大。水分子的这种能力我们称为水分子的势能,造成水分子势能的原因是水分子的扩散作用。水分子的扩散作用是因为水分子无时无刻都在做无规则的运动,我们称之为水分子的热运动。虽然我们不能直接观察它,但我们可以用布朗运动(Brown motion)来证明。
布朗运动是英国的植物学家布朗发现的,1827年,他在用显微镜观察花粉在水中运动时发现,花粉颗粒在不停地作无则的运动,因此称为布朗运动。为什么会出现布朗运动呢?后来科学证明,布朗运动是液体分子作无规则运动的结果。因为液体分子不断撞击微小的悬浮颗粒,每个分子撞击的时间、方向力量不一样,大量分子对悬浮颗粒撞击的平均效果就造成了悬浮颗粒的无规则的运动。因为水分子无时无刻都在作无规则的热运动,所以我们说水分子具有一定的能,我们称为水分子的势能。设一个水分子的质量为M,速率为V,假设水分子没有自旋的话,则一个水分子的所具有的势能E为,
我们知道仅仅研究一个水分子的势能是没有什么意义的,所以我们通常所说的水的势能,是一定量的水的势能。设一定质量水的分子数量为N,而水分子的速率V和水的温度T成增函数的关系,与其所受到的压强P成减函数的关系,令一定量的水的势能为K,则一定量的水的势能可以表示为,
F为水的势能K随着N,T,P变化而变化的规则,则,
造成麦粒的体积增大的原因除了水分子的热运动以外,还有生物半透膜的特性,由水分子的热运动和生物的半透膜的特性,可以产生溶液的一种现象,我们称为渗透压。