@ 2013.11.17 , 14:52
34

WHAT IF: 小勺与热茶

我搅拌着茶水在发呆,忽然闪过一个念头:「我真的在往这杯茶里增加动能吗?」我知道搅拌热茶可以加速冷却,但如果我搅拌得足够快呢? 水会不会因为搅拌而沸腾?

—— Will Evans

不会。

虽然你的想法有点意思,因为温度就是动能嘛。当搅拌茶水的时候,你确实在给杯子的水增加动能,这部分能量肯定干了些什么。因为杯子既没有因为搅拌而发生离奇漂浮,或是光芒万丈,那么你给它的动能,就肯定转化成热了。

[-]

但你没觉得茶水变热的原因,是你给它的这点动能实在太少。把水加热要消耗很多能量;从单位体积上来看,水是常见物质中,比热容最大的一个(所以水是很好的降温剂)。

原文注:虽然氢和氦在单位质量上,比水有更高的比热容,但它们都是弥散的气体,单位质量下,比热容最高的是氨。但同等体积下比较,水的比热容完胜这三者。

要在2分钟内,把水从室温加热到接近沸点,你需要大量的能量:

1 杯水×比热容×100--20-2 分钟=700 瓦特

原文作者注:要让将沸之水沸腾,还要消耗掉不得了的额外能量才能让水开锅——这个现象叫做「汽化热」

公式告诉我们,如果我们在两分钟内煮沸一杯茶水,我们大概需要700瓦的能量功率。一台常见的微波炉功率就是在 700~1100瓦之间,2分钟就能加热一大杯水,很好很简单。

2分钟700瓦可是一大笔能量开销。当一杯子水,从尼加拉瓜大瀑布上跳下来,它获得了动能,在杯底被转化为热量。但就算这信仰的一跳,这点距离也没能让水增加1℃(理想状态下水温只增加了0.12℃)。要让这杯水沸腾,你得从大气层以上跳下来才行。

[-]

所以,小勺如何与微波炉相提并论呢?

基于工业搅拌机制造商2003年的研究报告PDF,我假设有位喝茶发呆的武林高人以无比暴虐频率搅拌一杯茶水,最多也只有不到千万分之一瓦的效率,完全可以忽略不计。(这里有人研究了茶水冷却的规律,高人搅拌发功的速度,跟不上茶水冷却的速度。)

就算是搅拌对茶水的影响本身,也不是个简单的问题。在有些情况下,搅拌流反倒可以让它们的温度保持。热水会上浮,特别是在水体特别巨大的时候(比如海洋),热水会形成水体的表层。热水层释放热辐射的速度要比冷水层快。如果你用搅拌破坏了这种层级结构,那么水体降温的速度会变慢。这也是为什么飓风如果停止移动就会渐渐停息。因为它们从底部吸取了低温的水层,阻断了水体上层的热水,这层薄薄的热水层才是飓风的能量来源。

同样,茶水大部分的热量被空气带走,所以茶水从上到下的顺序降温,搅拌帮助凉水往下运动,所以这样可以帮助茶水冷却。但是搅拌的同时,另外一件事情也在发生——搅拌了水,也扰动了空气,扰动的空气摩擦杯壁又加热的杯子……但在没有具体数据之前,我们也不好说到底勺子空气谁比较厉害。

幸运的是,腐朽的资本主义滋生了一大批以科学研究为借口的闲人。通过因特网,我们找到了 StackExchange 用户 drhodes,他认真研究了这个问题,比较了搅拌和不搅拌的情况下,茶水的冷却速度。drhodes 给出了漂亮的图表和原始数据,要比那些期刊上的论文好看多了。

他的结论是:你搅不搅拌都一样;茶水自顾自地匀速变凉。(虽然从数据上看,让小勺在热茶里抽插,会让茶水凉的比较快……)。

这让我们回到了最初的问题:能不能单纯通过无限制的搅动,把水搅沸腾了。

(背景回音:老湿……老湿……老……湿……湿……给力……给……力……给给……力……)

老师:不行。

首先是功率问题。700瓦,这得多大的马力,骡子都不行,所以你如果想要在2分钟里弄开一杯茶水,最起码先得请一匹大马,拼了老命来帮你搅小勺。

[-]

你也可以延长时间来减少功率,但是你如果太慢了,那降温的速度就超过你搅拌加热的速度了。

就算你如有神助疯搅小勺,达到一秒上万转,结果就是你招来了流体动力学。在这样的高速下,茶水会形成空穴;沿着小勺形成真空漩涡,也就是说,你在那儿做着空转的无用功。

而且,如果你真在茶水里搅出了真空漩涡,恭喜你,茶水的表面积会急速增大,水温秒降到室温:

[-]
脸盘大,散热快

所以,无论你怎么用力,茶水也不会被你的热情感动。

本文译自 xkcd,由译者 Junius 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 34+1

  1. Jiwoon
    @4 years ago
    2252463

    每个字我都看得懂……

    [166] XX [4] 回复 [0]
  2. 2252465

    脸盘大 散热快

    [39] XX [2] 回复 [0]
  3. 小小虾
    @4 years ago
    2252469

    大学僧表示看不懂~更不想看~高三我只记得每天中午吃过的菜。

    [6] XX [25] 回复 [0]
  4. Newark驰爸爸
    @4 years ago
    2252472

    学习之后回去默默的在菲律宾海域下面架上大炉子,开水不能停啊…

  5. 太帅被屏蔽
    @4 years ago
    2252474

    直接拖到底,看到最后的一句话及配图就释然了

  6. 2252479

    噗………..
    居然被被倒数第二张图戳中笑点

    [14] XX [1] 回复 [0]
  7. 2252496

    这就是咖啡厅角落独坐着发呆的人所想的东西吗。。。

  8. wutong1993
    @4 years ago
    2252503

    能量的单位是瓦特?小编物死早啊!

    [23] XX [8] 回复 [0]
  9. 银之
    @4 years ago
    2252507

    搅基越搅越热的原理是

  10. dont2thatagain
    @4 years ago
    2252515

    嗯?
    小编你今晚最好穿橄榄球服睡觉,热学祖师的坟已撑裂了……

  11. 2252518

    最后的图是什么意思, 被射了一脸吗?

  12. 2252519

    好欣慰Junius_Lou还在努力的顶着煎蛋

    [81] XX [1] 回复 [0]
  13. 某自杀
    @4 years ago
    2252522

    如果你的茶杯是密封的话,找一个常用搅拌桨,用普通电机来开动它,估计在水开之前桨会断掉吧

  14. rosses
    @4 years ago
    2252523

    这解决了我从前的一个疑惑

  15. Junius_Lou
    @4 years ago
    2252534

    @wutong1993: 哟,改好了,谢!

  16. 鱼鱼
    @4 years ago
    2252562

    其实吧…一开始测量热功当量用的就是搅拌液体测量升温的方法,不过用的不是茶杯

  17. 2252581

    难怪~小时候用热水泡脚,手放在水里摆了两下就觉得水更热了。

  18. 不是那个
    @4 years ago
    2252588

    @: 你的事是换毛巾。
    热水倒进脚盆之后,又把脚伸下去阻挡,水很快降低流速。
    这种流动不强的水,象无风的冬天空气一样,贴近皮肤的那部分不容易更换,和皮肤接触传热之后,温度很接近,传热速率剧降。
    如果快速拨动,接触皮肤的水北冲开,换上还没传热的来接触,自然有更高温度,就会感觉很烫,拨动水的动能远远不到让水明显变热的程度。

    所以很烫的水也可以泡脚,倒进盆让它静一下,再以慢动作伸脚下去,保持不动,让明显降温的近皮水层缓缓对流更换,就可以承受了。千万别乱动,否则烫一下忍不住抽抽,加速近皮之水更换,更烫,更抽抽,连锁反应,就会“Yiiiaaooooooooo!”

    [23] XX [1] 回复 [0]
  19. 不是那个
    @4 years ago
    2252593

    @: 怕你用烫得能煮肉的水泡脚,特别提醒小心,即使想泡烫烫的水(真的很舒服),水温也不要太高,以免坏事,近50度就很危险了。
    建议不如感觉不够热时再续添一点热水,象潘金莲有人伺候添水一样,不会乱动一下抽抽变成通红的虾米。

  20. 细雨将至
    @4 years ago
    2252594

    这次怎么没有一直到光速了?

  21. 哎呦我去~
    @4 years ago
    2252646

    我记得小时候嫌粥太热,总是拿筷子搅搅,但总觉得爸爸妈妈的粥凉的比我的快

  22. 674740133
    @4 years ago
    2252649

    当我看到有公式的那段时 我就直接跳过来评论了

  23. 呼吸着漂浮
    @4 years ago
    2252655

    @Jiwoon: @小小虾: 搁一起估计高三时候的我是懂的吧?

  24. 默默没有陈-
    @4 years ago
    2252682

    表示看不懂,我想明天问物理老师

  25. valenr
    @4 years ago
    2252696

    但是有个问题。当年焦耳做实验的时候,就是用螺旋桨搅动水体啊(用一定质量的砝码与滑轮)

  26. 2252724

    没规定说只能照一个方向搅的吧

  27. 醴冬阳
    @4 years ago
    2252775

    我也有过这样的想法,拿平水拼命晃啊晃……

  28. 2252776

    说实话我确实仔细的考虑过这个问题,做一个腐朽的资本主义滋生的一大批以科学研究为借口的闲人。

  29. vivian
    @4 years ago
    2252822

    23333好欢脱

  30. 蛋友乙
    @4 years ago
    2252863

    热功当量,经典物理实验

  31. z小cat
    @4 years ago
    2252894

    我只想凉凉…

  32. k?g?d?r?d
    @4 years ago
    2253135

    有次脚痒,就用手指头搓(怕挠会破),不解痒,越搓越快越搓越热,后来把手指烫起个水泡

  33. 2253655

    @k?g?d?r?d: 那是脚气传染了

  34. assnr7xnn8
    @1 year ago
    3200223

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