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神奇无比的水物理你了解多少?

2024-01-12 10:04 来源: 大科技杂志社

  水是这个世界上最平凡的东西了,它随处可见:你看那树叶上晶莹的露珠、山脚下涓涓流淌的小溪、草原上平静的湖水。水占据了我们身体的三分之二的重量,还覆盖了地球四分之三的表面积。

  然而平凡的水却又不总是表现的很平凡,它有着众多你所不知道的奇妙特性……

  热水居然比冷水结冰快!

  1963年某一天,在坦桑尼亚的一堂小学科学课上,小学生们在相互分享科学知识,课堂上充满了欢声笑语。此时有一位叫姆潘巴的小学生向老师和同学们说道:我发现热牛奶比冷牛奶更容易结冰!老师和同学们顿时哈哈大笑,认为姆潘巴同学一定是在开玩笑,热的牛奶怎么会比冷的牛奶先结冰呢?这件事传到了学校督察员的耳朵里,督察员亲自实验后居然发现,姆潘巴同学说的没错!人们把热液体有时比冷液体更容易结冰的现象称为姆潘巴效应。

  冰是水凝固成的,最能体现姆潘巴效应效应的液体便是水本身了。想象下,当你把水量相同的一杯冷水和一杯热水一起放到0℃的冰箱里,你再一次打开冰箱后,你发现热水会比冷水先结冰了!不要说在上个世纪60年代,至今我们见到这种情况都会觉得出乎意料!当然,一般情况下还是冷水先结冰。

  为什么热水有时会先结冰?其实直到现在这个现象也还没有权威的解释。有人认为热水更快结冰的原因是热水降温的速度比冷水快。但热水需要降温的幅度也比冷水大,所以这种说法有点想当然;有人认为较热的水较容易蒸发,蒸发后水量变少,少量水更容易结冰。但有人在密闭容器下做实验发现热水仍很有可能先于冷水结冰,显然这个解释也不成立;还有的人认为温度较高时水中的氢键更强,这些强氢键在低温时能促进冰晶核的行成,而冰晶核的快速形成有利于更快结冰,但这种说法却得不到实验证实……

  为什么冰很滑?

  我国在短道速度滑冰领域实力强劲,国家队的运动员们频频在此项目摘金夺银。虽然最后的胜利总令人振奋,但我们在电视上看短道速滑直播的过程中,心始终是紧绷着的。因为赛道太滑,运动员们速度太快,极易摔倒受伤!那么,为什么冰会这么滑呢?

  有两种广泛被接受的传统解释。工程师约翰·乔利于1886年提出第一种解释:在冰上活动的人的体重会对冰产生压力,这个压力可以将冰的熔点降低到环境温度以下(环境温度高于熔点,物体会融化),从而使冰表面融化成一层薄水,而水能极大地减少摩擦。但有科学家指出:无论人施加多大的压力,都不能将冰的熔点降低到零下22摄氏度以下,所以你无法解释严寒地区的人为什么会在冰上滑倒。弗兰克和休斯于1939年提出了另一种解释,这种解释也是从水的产生能减少摩擦的角度出发,但不同的是他们认为水是由物体与冰之间的摩擦力导致冰融化形成的。然而这个解释也站不住脚——因为即使你站在冰上不动,你仍然会滑倒。

  所以,过去几十年间,我们对于冰为什么这么滑的理解错了!最新研究认为冰滑和人没有任何关系,完全归咎于冰自身表面水分子的性质:冰晶体内部的每个水分子与其他三个水分子相连,水分子处于比较稳定的位置。但冰表面上的水分子只能与两个水分子连接,这个结合就比较弱了,以至于冰表面的水分子不能很好的被“束缚”住,它们甚至可以在冰的表面上来回滚动。人踩在冰表面的滚动的水分子上,就像踩在一个个小“滑轮”上一样,极易滑倒!

  有趣的莱顿弗罗斯特效应

  你听说过冰桶挑战,但你听说过液氮挑战吗?冰水的温度为0℃,一桶冰水泼到裸露皮肤的人的身上,简直就是刺骨的寒冷。但是,对于一些习惯于冬季运动例如冬泳的人来说,冰桶挑战并没有什么大不了的。然而,液氮的温度却低于零下196摄氏度!这个温度想必很多人想都没想过。

  液氮挑战还能称作是一项挑战吗?有人认为简直就是送命!而当34岁的俄罗斯科学家安东·科诺瓦洛夫光着上衣,毫不犹豫将一桶液氮从头上泼下后,在浓浓的白烟中,科诺瓦洛夫安然无恙地走出来时,人们惊愕了:他竟然没事!这是怎么回事?

  这就要提到一种叫做莱顿弗罗斯特效应的物理现象了。1756年,一位名叫莱顿弗罗斯特的科学家将一把铁勺烧的通红,然后在铁勺上滴了一滴水珠。奇怪的是,水珠竟然悬浮起来,持续了30秒才蒸发不见。莱顿弗罗斯特发现这是因为水滴接触炙热的铁勺后,水滴底部立即汽化形成一层水蒸气,把水滴与铁勺隔开,并托起水滴使其悬浮。悬浮的水滴暂时不能吸收更多的热量,减慢了剩余的水的汽化速度,因此悬浮可以持续30秒,这就是莱顿弗罗斯特效应。通俗地讲,莱顿弗罗斯特效应就是在液体和物体之间出现了一层汽,这层汽使得液体汽化速度减慢。

  当液氮泼向科诺瓦洛夫的时候,最先与科诺瓦洛夫的皮肤接触的液氮迅速汽化(皮肤的温度远远高于液氮的沸点——零下196摄氏度),产生的氮气隔开了科诺瓦洛夫的皮肤和余下的液氮,这保护了科诺瓦洛夫免受进一步的冻伤。值得一提的是,物体的温度必须远远高于液体的沸点,液体与其接触时才会发生莱顿弗罗斯特效应。例如,一块温度为100℃的铁板,滴上几滴水珠,水珠马上蒸发的无影无踪。但是如果铁板的温度达到了三、四百摄氏度,就会发生莱顿弗罗斯特效应,水珠在铁板上方漂浮滚动。

  莱顿弗罗斯特效应在生活中其实有很多的应用:厨师们往锅里面滴几滴水,根据水滴的状态——没有变化、沸腾、或者是漂浮滚动,就能知道火候是否适合;某些地区有光脚走炭火的习俗,人们将炭火烧的通红了以后,用水浇一下脚,走过便不会灼伤;还有些人用来做常人看来不可思议的神奇表演,例如徒手摸1500℃的铁水……当然,我们知道原理就好了,危险的事情我们一定不要去尝试。

责编: 廖梦均  
 
 
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