为什么点了个鸳鸯锅去聚餐,总是辣锅先开呢?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-11-13 12:03:43

本文通过问答形式探讨了多个科学问题,包括为什么辣锅先沸腾、碳酸饮料冷冻成冰或冰沙的原因、黑色火焰的存在、吹口哨的原理、氢气球吊起人的数量计算、闪电颜色的成因、鼻塞的原因及解决、液体中物体浮力的原理等。

为什么吃鸳鸯锅,辣锅总是先沸腾?

答:物质的组成影响物质的性质。辣汤和清汤的物质组成有什么区别呢?不难发现,辣汤表面飘着一层红油,正是这层红油减少了热量散失,从而导致辣锅先沸腾。

食用油是有机物,油的沸点在标准大气压下约为两百摄氏度,比水的沸点要高,更难蒸发。此外,油的密度(0.9g/ml)比水小,因而会漂浮在水的表面。当清汤锅中的水开始蒸发,带走大量的热量的时候,辣锅中漂浮在水表面的红油阻碍了水分子的逃逸,从而减少了单位时间的热量散失。因此,在辣锅和清汤锅具有相同的热量输入的情况下,热量散失更慢的辣锅会先沸腾。

为什么有些碳酸饮料放在冰箱冷藏会冻成冰,有些会变成冰沙?

答:你想表达的应该是“冷冻”后的碳酸饮料吧。冰箱的冷藏室一般为3~5℃,是无法让饮料凝固的,需要在-18℃的冷冻室“冷冻”后才能使其凝固。回到题目,其实决定冷冻后碳酸饮料状态的要素不是饮料的种类,而是冷冻前饮料瓶内的气压。如果冷冻前瓶内的气压是和外界一致(一个标准大气压),那么当外界温度低于饮料的熔点时,在足够长的时间后,饮料将从液态变为固态。

而如果在冷冻前晃动饮料瓶,那么溶解于碳酸饮料中的二氧化碳就会被释放出来,瓶内的气压将高于外界。又由于碳酸饮料在凝固的过程中密度会变小(体积会膨胀),所以瓶内气压的增大会使其熔点降低,当降低后的熔点低于冰箱的温度时,冷冻后的饮料就处于一个“过冷液体”的状态(这种状态下的液体极不稳定,稍有干扰就会结晶)。

此时打开瓶盖让气压回到与外界一致(熔点也随之一起回升),再晃动一下饮料瓶使其释放出一些二氧化碳(对体系产生干扰),就能看到液体瞬间结晶,呈现出冰沙状。(无意中get了一项制作冰沙的技能)

是否有黑色的火焰?

答:在一些特殊手段的帮助下,我们是能看到黑色火焰的。

如下图所示,我们在暗黑的环境中点燃含有不同化学元素的物质,其产生了不同颜色的火焰。这是因为燃烧过程中,原子中的电子吸收了能量,从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道,但处于能量较高轨道上的电子是不稳定的,会很快回迁至能量较低的轨道,多余的能量以光的形式释放。根据,由于不同元素原子在发生跃迁时的释放的能量不同,则产生光的频率也不同,就会呈现不同的颜色。我们将这样的现象称为焰色反应。

如果此时我们开启一盏单色光源,比如低压钠灯(只发出波长为589nm左右的黄光,可视为单色光),那么原本钠元素焰色反应所产生的黄光就会被吸收而呈现黑色,我们就能看见黑色的火焰啦。下面的动图就展示了在黑暗的房间里仅开启低压钠灯后,点燃蘸有酒精和盐水的脱脂棉即可产生黑色的火焰。(选用盐水是因为食盐的主要成分为NaCl,可发生钠元素的焰色反应)

我可以通过吸气来“吸出”口哨声吗?

答:可以,我刚试了,大冷天吸了一肚子冷风。实验有风险,答题需谨慎啊

口哨是指用舌头、嘴唇与气流发出声音,这可是具有悠久的历史的,是人类早期听觉表意的手段之一,不过古时其被称作啸艺,实打实的高雅艺术,像诸葛亮,曹植都精于此道,甚至到明代,你要不会吹口哨,都不好意思跟人说你修道。当然人家的啸艺有音律,能表意,我这种五音有四音半不全的只能吹响,所以我一般拿这逗狗

口哨的原理也很简单,就是空气振动发声。吹口哨时,双唇形成一个小气口,当气流从小气口流入或流出时,由于气流流速不同,气流路径会发生起伏,起伏处附近有湍流产生,发出声音。以吹气为例,流速快的空气从双唇小气口流出,受到外面流速较慢的大气空气阻碍,气流路径发生起伏,定性图如下所示:

要握住多少个氢气球,才能把人吊起来飞离地面?

答:这个问题的思路其实是很简单的,人握住氢气球,整体受到向下的人的重力 人、气球的重力 气球、和空气的浮力浮,浮力大于总重力即可飘起来。

我们简化地采用橡胶气球,并且假设它只膨胀到一个比较合适的程度(小了浪费体积大了容易胀破),同时吹胀以后为球形,这种情况下气球厚度为 、橡胶密度为 胶、气球半径为 ,氢气密度 氢、空气密度 空、人体重为 人,共 个气球。对单个气球而言:

所以在 个气球情况下:的最小值使得 合,它取决于气球的半径(大小)、气球壁厚和人的质量 人。取 空、 氢、胶,某些情况下的如下表:

可见气球半径的大小影响很明显,这是因为浮力中的R三次方项的存在导致的。

当然,上面只是一个粗略的讨论,实际情况要复杂的多,当气球飘向高空,空气越来越稀薄,浮力会相应减小,而重力减小的要慢的多,所以气球不会一直飘下去,理论上最后会悬停在某个高度,同时由于高空气压小,氢气可能会把气球胀破。

为什么闪电有白色、红色、蓝色等不同的颜色?

答:闪电确实有不同的颜色,这是由空气中不同成分核外电子的不同轨道跃迁造成的。闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内部之间强烈的放电现象。

云层积累大量电荷,与其他云或地面形成极高的电势差,会将空气中的成分(主要是氮气和氧气)电离,出现放电现象。而此过程中释放的能量会将原子、分子或离子核外电子激发到较高电子轨道,随后电子向下跃迁到能量更低的轨道,释放出光子,这就是闪电电光的来源。不同的原子、分子或离子的电子从不同轨道向下跃迁,所释放的的光子能量也不同,即光的波长不同,这就是闪电呈现不同颜色的原因。

有时候鼻子不透气,但是打了一个喷嚏之后就突然透气了?这种情况,到底是什么东西导致鼻子不透气的呢?

答:鼻子不透气通常叫做“鼻塞”(nasal congestion),鼻塞的成因比较多,过敏、鼻息肉、鼻炎等都会引发鼻塞,最常见的便是“感冒”。当你的呼吸道接触了一定量的致病性病毒(鼻病毒、腺病毒、冠状病毒等)或细菌(链球菌等),而你又恰巧免疫力下降,你就会收获感冒——上呼吸道感染(URTI)的一种,同时伴随来而来的还有症状大礼包——卡他症状:鼻塞、流涕、咳嗽、打喷嚏……

URTI中鼻塞的成因主要有两个,一方面是感染引起扁桃体(tonsil)和腺样体(adenoid)肿大,压迫上呼吸道,减少空气流动。另一方面也是最主要的方面是,上呼吸道感染过程中鼻窦静脉(venous sinues)的充血扩张。呼吸道感染后,机体免疫反应过程中产生的组胺、炎症因子等物质,例如缓激肽(bradykinin),会引发鼻上皮大静脉(鼻窦静脉)的充血扩张。

静脉的充血扩张在气道较为狭窄的鼻甲等区域,会直接阻塞鼻空气流通。同时,这种病理性的充血扩张还受交感性血管收缩神经的调节,会在正常和充血过程中不断更替,体现在两个鼻窦中,便是一个鼻孔通气,另一个阻塞,一段时间后又会颠倒过来(类似于鼻周期,即睡眠过程中两个鼻窦交替关闭)。

形状不规则的物体浸没在液体中,为什么水平方向的压力可以互相抵消,使其只受竖直向上的浮力?

答:理解这个问题需要知道数学里面的高斯定理(配合微积分食用更佳)。首先说一些基本的结论:①液体压强大小与深度和液体密度有关,具体为;②同一地点的液体对各个方向都会产生大小相等的压强;③我们定义某一个面上的压强时候本身就用的是面上的正压力,因此无论面的方向如何,压力都是;④压强和力都是矢量,有方向。

其次看一个简单的模型,如下图,立方体六个面受到的力显然左右相抵消,前后相抵消,而上下两个面的力分别为 上上,下下,两者方向相反,合力向上:

合水水即阿基米德定律。

最后来看一个如下图所示的形状奇奇怪怪的物体。

对于物体表面的一个小面元上的压力为,为面元的法向单位向量,为面元处压强,它只与深度有关。所以总的力自然而然为:

第三个等号用到高斯定理。我们知道三重积分的值与体积元的形状是没有关系的,那不妨就把每一个都划分为小立方块,这个时候再把上面的式子倒过来写一遍:

合力向上,大小等于排开水的重力!式中的为第个小立方块,而代表二重积分是在第个小立方块表面进行的,在微积分的应用下,物体的形状已经不再重要了!如果你不这样觉得,那就继续细分。(详细的推导过程见参考资料)

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