雪为什么是白色的?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2019-02-01 12:55:51

本文通过一系列问答形式,解释了雪为什么是白色的,以及关于热量传播、水蜘蛛浮水、节能灯发光、金星温差、荷叶遇水滚动、过冷水不凝结等科学现象的原理。

雪为什么是白色的?

忽如一夜春风来,千树万树梨花开。这首诗小伙伴们都很熟悉,岑参一句奇思妙想勾勒出辽阔的雪景,以花喻雪,神来之笔。佳节将至,你那里下雪了吗?

Q:为什么温水瓶内胆真空可以保温,但是太阳的温度却可以穿越那么远的真空传到地球?A:热量的传播有三种途径,对流,热传导和辐射。

热导率高的固体(铜、铁等金属),主要通过热传导来实现热量的传播,流体物质(如液态水,空气等)主要通过对流来传导热量。有限温度的物体,都会通过热辐射向外散发能量,而且辐射功率与温度正相关。热传导与对流,均需要通过介质传递热量,而辐射是通过电磁波,不需要额外介质。太阳具有很高的温度,通过辐射(阳光)可以将能量在真空中传播。暖瓶中的热水,主要通过对流向外散失。

暖瓶内胆夹层抽成真空,可以有效减弱对流,阻止热量散失。实际上热水也会通过热辐射进行散热,不过效率不高。而且内胆表面光洁,夹层也涂有一层反光物质,具有较高反射率,这在一定程度上阻止了热辐射带来的能量散失。

Q:水蜘蛛为什么不会沉下去?A:水中物体,受到的浮力等于排开水的重量。所以对于实心物体,其密度大于水的密度,浮力无法支撑其重力,物体下沉。反之,物体则漂浮在水面上。

但有一些情况例外,小心放置密度比水大的小物件(如回形针,硬币等)于水面,他们也会漂浮在水面上。这里的浮力便不足以漂浮小物件,而使其漂浮的便是另外的力--表面张力(顾名思义,这个力只有液体表面存在,液体内部是不存在的)。像水球的形状,毛细现象等,均与表面张力有关。水蜘蛛之所以会漂浮在水面上,使是充分利用了水的表面张力。一方面,水蜘蛛腿部狭长,使其自身重量被有效分散。

另一方面,这类动物一般使表都有一层拒水绒毛,使其身体始终处于水的表面。

Q:晚上睡觉时灯已经关了,可为什么却还是微微发亮?A:如果是节能灯的话,那么这些微微光亮就是荧光粉的辉光,是剩余的受激电子跃迁放出的光。不过这些辉光持续时间不会太久。这里简单说明一下节能灯的发光原理。节能灯内有灯丝,并充有一些氩气,汞等。灯管内表面附著一层荧光粉。

节能灯通电时,灯丝发热并发射电子,通过复杂碰撞,最终使汞原子能级跃迁,汞原子能级跃迁过程中放出紫外线,紫外线使荧光粉内电子受激发到高能级,高能级电子向基态跃迁发出可见光。节能灯断电时,荧光粉还有部分处于激发态,这些激发态向基态跃迁过程中将持续发光小段时间。但如果是LED灯并且晚上长时间发光,那一定是装修时将开并接在了零线上,LED灯直接与火线联通,导致其内部依然有微弱电流通过。

Q:金星为什么昼夜温差大!A:首先纠正一点,金星的昼夜温差不是很大,太阳系中昼夜温差最大的行星是水星。影响行星星体体表昼夜温差的主要因素是该星体的体表大气层。如果行星(如水星)裸露,那么阳光将直接照射到行星阳面,阳面体表温度急剧上升。而阳光照射不到的阴面,温度会急剧下降,造成极大昼夜温差。水星的昼夜温差就极大,有610度之多。

而如果行星表面有一层大气层(如地球),大气层就会如同一件衣服一样给行星保温。大气层会在白昼时散射阳光,阻止阳光直接照射到星体表面,使温度不至升太高。黑夜时又可以有效阻止热量散失,使温度不致下降太多。金星不仅有“衣服”,这件衣服还是件羽绒服。金星的大气层含大量二氧化碳,以致其温室效应明显,地表温度较高。

Q:荷叶遇水滚动的原理是什么?A:题主想问的应该是水珠在荷叶上滚动的原理吧?

如图所示这是由于荷叶表面的强疏水性。荷叶表面有一层茸毛和一些微小的蜡质颗粒,这些均是纳米级别。水在这些纳米级别的颗粒上不漫延,不浸润,以致荷叶表面的水会在其自身表面张力的作用下形成水珠。由于荷叶表面的这种强疏水性,水珠与表面夹角会大于150度,只要受力不平衡,水珠很容易滚动。由于荷叶上的水珠很容易滚动,会有一种“荷叶效应”产生。

这是一种自清洁效应,滚动的水珠很容易带走荷叶表面的灰尖,使荷叶处于“出淤泥而不染”的洁净状态。

Q:雪为什么是白色的?A:某知名动漫中有一个很中二很浪漫的回答,雪为什么是白色的?因为它忘记了自己的颜色……嗯,实际上它不是忘记了自己的颜色,它本身就没有什么颜色。我们知道液态的水是无色透明的。

其单晶(干净的冰块)也是无色透明的,干净的冰有强透光性,光线能穿过冰块继续传播(有一定的偏折),故而我们可以透过冰块看到物体。单晶形态的雪花也是透明的,如图。而我们看到的雪,是多片单晶组成的多晶。这多晶形态就比较复杂了,其内部有多个晶面,光在其中传播会被多次折射反射,而最终射出这个多晶的光,便是这些折射反射光的叠加,不再是入射时的样子了。

而由于这些折射反射对各色光的效果相差无几,其叠加便是我们所见的白色了。就像把一整块冰摔一下,使其内部产生很多裂纹,这个时候冰也不再透明,看上去是白色的。其原理是一样的。

Q:过冷水为什么不会凝结?A:水结冰,需要两个过程,一是冰核形成,二是冰晶生长。当然,这两个过程都需发生在温度低于熔点。当水的温度低于熔点时,水并不会立即结冰,它还需要冰核。

污染物和颗粒可以作为冰核,所以不太干净的水总是更容易结冰。在非常洁净的水中,便需要水分子自身形成冰核。由于水独特的热力学性,在没有涨落的情况下(静置),没有水分子愿意率先“组队”当这个“出头鸟”,没有冰核,冰晶就不会生长,也就不会结冰了。因此虽然温度很低,但不结冰,水处于过冷状态。

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