如果造一臺(tái)“抽氣機(jī)”，把高空的冷空氣吸到地面，夏天能否變涼快？ | No.511

我們都知道，

高空的空氣溫度比較低，

那夏天把高空冷空氣抽到地面，

可以變得涼快嗎？

問(wèn)答導(dǎo)航
Q1 高空冷氣能降到地面來(lái)降溫嗎？
Q2 為何夏天開(kāi)車手會(huì)被曬黑？
Q3 刀只切豆腐會(huì)變鈍嗎？
Q4 人撞火車傷害一樣嗎？
Q5 微波爐不放東西加熱的能量去哪了？
Q6 磁鐵掰開(kāi)為何不是兩極？
Q7 鐵軌旁為何鋪滿了石頭？
Q8 藥名里有鹽酸是含鹽酸嗎？

by 小苗

答：

把高空的冷空氣抽到地面，并不會(huì)讓城市涼快下來(lái)。且這個(gè)搬運(yùn)過(guò)程本身就會(huì)把空氣加熱，降溫效果微乎其微，甚至?xí)尵植扛鼰帷?/strong>

問(wèn)題的關(guān)鍵出在“搬運(yùn)”這個(gè)動(dòng)作上。高空空氣確實(shí)冷，比如萬(wàn)米高空氣溫常在零下40攝氏度以下，但這種冷是“低壓膨脹”造成的。當(dāng)空氣被強(qiáng)行壓向地面，隨著海拔降低，它會(huì)被越來(lái)越稠密的大氣劇烈壓縮。

這里涉及一個(gè)叫“絕熱壓縮”的物理過(guò)程。我們可以回想給自行車打氣的場(chǎng)景——打氣筒的筒壁會(huì)發(fā)熱。這不是摩擦生熱，而是在壓縮空氣時(shí)，外界對(duì)它做了功，內(nèi)能增加，溫度自然升高。下沉的空氣就像那個(gè)被壓縮的氣柱。

根據(jù)大氣物理學(xué)中的“干絕熱遞減率”，干燥空氣每下沉1公里，溫度會(huì)因壓縮而升高約10攝氏度。當(dāng)然，這只是一個(gè)理論趨勢(shì)，現(xiàn)實(shí)中，一坨冷空氣在下沉途中會(huì)不斷與周圍更暖的空氣混合，熱量迅速交換。它雖不會(huì)真的被加熱成滾燙的熱風(fēng)，但它原本那點(diǎn)涼意，在到達(dá)地面時(shí)已基本被壓縮的物理做功消耗殆盡。

自然界里有個(gè)現(xiàn)成的例子叫“焚風(fēng)”。原本涼爽的氣流翻過(guò)高山，在背風(fēng)坡下沉?xí)r受絕熱壓縮影響，到達(dá)山腳時(shí)變得干熱。這也是高山背風(fēng)坡常出現(xiàn)干熱河谷的原因之一。

大氣本身是一個(gè)巨大的熱交換體，強(qiáng)行在局部搬運(yùn)冷空氣，所耗能量往往比直接用空調(diào)制冷還多。我們與其設(shè)想從高空“快遞”冷氣，不如多種樹(shù)增加遮蔭，或耐心等一場(chǎng)能帶走潛熱的午后雷陣雨，那才是自然給城市降溫的免費(fèi)方式。

參考文獻(xiàn)：

1. 盛裴軒, 毛節(jié)泰, 李建國(guó), 等. 大氣物理學(xué)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2003.

by 檸七

Q.E.D.
Q2 為什么紫外線理論上透不過(guò)玻璃，夏天開(kāi)車手還是會(huì)被曬黑？

by Berry

答：

玻璃能阻擋紫外線這句話其實(shí)只是說(shuō)對(duì)了一半，玻璃確實(shí)可以擋住大部分會(huì)把你曬傷的紫外線，但是對(duì)于那些能把你曬黑、曬老的紫外線，確實(shí)阻擋不住的。

根據(jù)波長(zhǎng)和穿透力，紫外線主要分為UVA（長(zhǎng)波紫外線）和UVB（中波紫外線）兩種。

其中UVA穿透力極強(qiáng)，可以輕松穿透玻璃。它能深入皮膚真皮層，導(dǎo)致曬黑、長(zhǎng)斑、產(chǎn)生皺紋；UVB能量高，波長(zhǎng)短，大部分會(huì)被玻璃擋在室外，它只能到達(dá)皮膚表層，可以讓你在短時(shí)間內(nèi)曬傷。

汽車不同位置的玻璃在阻擋UVA的能力上也有所不同，對(duì)于普通的側(cè)窗玻璃，也就是我們開(kāi)車的左右兩側(cè)玻璃，它對(duì)UVA的阻擋率極低只有30%。前擋風(fēng)玻璃則是在60%~80%左右，因?yàn)樗捎脢A層結(jié)構(gòu)，并加入了抗UV的PVB膜，防護(hù)明顯更好。

所以如果想要更好的防護(hù)紫外線曬黑，給玻璃貼膜會(huì)更好哦，認(rèn)準(zhǔn)“紫外線阻隔率>99%”或“UV400”標(biāo)志。

by 藍(lán)多多

Q.E.D.
Q3 如果一把刀只用來(lái)切豆腐，并且過(guò)程當(dāng)中永遠(yuǎn)不會(huì)碰到其他東西，這把刀會(huì)不會(huì)慢慢變鈍，或者說(shuō)，硬度級(jí)別差異如果足夠大，那硬度高的東西會(huì)不會(huì)永遠(yuǎn)部磨損？

by 白猿

答：

會(huì)。之所以我們會(huì)產(chǎn)生硬度大的物體不磨損這樣的想法，有可能是因?yàn)殂@石切割玻璃這個(gè)故事中，硬度（莫氏硬度）[1]高的物體會(huì)給硬度低的物體留下劃痕，反之則不行這樣一個(gè)令人記憶深刻的圖像。

金剛石刀頭切割玻璃[2]

有趣的是，提問(wèn)者把這個(gè)情景推到了極端，雖然豆腐沒(méi)有所謂的硬度，但是我們還是可以直觀的感受到豆腐和刀之間的“硬度”差距。我們?yōu)楹尾粚⑦@個(gè)繼續(xù)推到極限？我相信大家都聽(tīng)過(guò)水滴石穿的故事，水的“硬度”和石頭的硬度之間的差距是否更加顯著，但是水仍然可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沖刷磨損讓堅(jiān)硬的石頭發(fā)生變化，雖然這其中可能有可能有水中微粒或者化學(xué)反應(yīng)的磨損，但是不可否認(rèn)的是，長(zhǎng)時(shí)間的水流的沖刷力作用也是其中一個(gè)因素。把豆腐比作水流，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)刀作用一定也會(huì)發(fā)生磨損，因?yàn)槲⒂^中的原子分子相互作用中一定會(huì)讓硬度大的物體的表面原子逐漸被剝離。

參考文獻(xiàn)：

1. https://baike.baidu.com/item/莫氏硬度/1605832

2. https://acedecorbath.com/blogs/news/can-you-cut-tempered-glass-no-here-s-why-you-shouldn-t-even-try?srsltid=AfmBOopxJZ3twBH6CBiBmPfJfIK2eB6NBxyVt-4_zTyrSW5bjM_OLDqV

by 小被子

Q.E.D.
Q4 一個(gè)速度50KM/小時(shí)的人撞到一輛靜止的火車，和一個(gè)速度50KM/小時(shí)的火車，撞到一個(gè)靜止的人時(shí)，不算二次傷害的話，瞬時(shí)造成的傷害一樣嗎？

by 哲。

答：

為了衡量撞擊瞬間的傷害，我們得先搞清楚一件事：人和火車撞擊后，速度分別是多少？

碰撞前后系統(tǒng)的總動(dòng)量是守恒的，因此很容易列出

其中m是人的質(zhì)量，M是火車的質(zhì)量。碰撞前，人和火車的速度分別為 和 ，碰撞后分別為 和 。然而，碰撞前后的機(jī)械能并不守恒（除非是完全彈性碰撞），為此我們引入恢復(fù)系數(shù)

一顆鋼球在碰撞前后幾乎不發(fā)生形變，動(dòng)能損失極小，因此它的恢復(fù)系數(shù)接近1；而現(xiàn)實(shí)中，人與火車相撞的恢復(fù)系數(shù)幾乎等于0——我們久經(jīng)鍛煉的肉體還是太“脆”了，在撞上火車的瞬間會(huì)發(fā)生極大的不可逆物理形變，這也是撞擊傷害的主要來(lái)源。

公式已經(jīng)備好，我們首先計(jì)算“人撞火車”的情況，碰撞后火車的速度

由于火車質(zhì)量遠(yuǎn)大于人， ，火車被人撞后仍然不動(dòng)；而人的速度：

由于恢復(fù)系數(shù)約等于0，撞擊后人也近似是靜止的。在“人撞火車”情況下，人會(huì)像成熟的番茄一樣“pia”一下糊在火車頭上，速度變化量絕對(duì)值為50km/h。

再計(jì)算“火車撞人”的情況，碰撞后火車的速度

火車質(zhì)量遠(yuǎn)大于人，因此 ，火車的速度幾乎不受影響；而人的速度：

同樣約等于50km/h，這種情況下，人會(huì)糊在火車頭上跟著火車一起跑，速度變化量絕對(duì)值仍為50km/h。

只要火車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于人，在這兩種場(chǎng)景中，人體瞬間承受的速度變化量絕對(duì)值就是相等的，受到的沖量也相等。根據(jù)動(dòng)量定理：

假設(shè)碰撞時(shí)間 一致，人的受力和碰撞瞬時(shí)傷害也完全相同。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)中，我們?cè)谥鲃?dòng)撞擊物體之前往往會(huì)伸出手臂緩沖，運(yùn)動(dòng)的火車造成的后續(xù)傷害也遠(yuǎn)大于靜止的火車——但無(wú)論如何，都請(qǐng)避免和一個(gè)質(zhì)量遠(yuǎn)大于自己的物體相撞！

參考文獻(xiàn)：

1. Schmitt, Kai-Uwe & Niederer, Peter & Muser, Markus & Walz, Felix. (2007). Trauma Biomechanics: Accidental injury in traffic and sports.

by 冰糕

Q.E.D.
Q5 如果微波爐不放食品，干加熱，微波爐消耗的能量去哪了？

by 小鐘

答：

微波爐空轉(zhuǎn)時(shí)，消耗的電能并沒(méi)有消失，而是絕大部分留在了機(jī)器內(nèi)部，最終轉(zhuǎn)化成了熱量。

微波爐的核心是磁控管，它把輸入的電能轉(zhuǎn)化為頻率約2.45 GHz的微波。正常烹飪時(shí)，這些微波在金屬爐腔內(nèi)反復(fù)反射，被食物中的水分子吸收并轉(zhuǎn)化為熱。

但當(dāng)爐內(nèi)空無(wú)一物時(shí)，微波失去了主要的吸收對(duì)象，只能在金屬爐腔內(nèi)來(lái)回反射。

金屬內(nèi)壁對(duì)微波的反射率很高，但并非完美。每次反射時(shí)，都會(huì)因金屬的微小電阻產(chǎn)生少量感應(yīng)電流，把一小部分能量轉(zhuǎn)化為熱能。雖然單次損耗很小，但在高頻的反復(fù)反射下，爐腔內(nèi)壁和玻璃盤還是會(huì)緩慢升溫。

更重要的是，大部分微波在多次反射后會(huì)順著波導(dǎo)管原路返回，重新進(jìn)入磁控管。磁控管本身將電能轉(zhuǎn)為微波的效率通常只有60%-65%左右，剩余部分本來(lái)就以熱的形式耗散。當(dāng)大量反射微波回流時(shí)，管內(nèi)損耗進(jìn)一步增加，導(dǎo)致磁控管溫度明顯上升，熱量自然就積累在機(jī)器內(nèi)部。

短時(shí)間空轉(zhuǎn)問(wèn)題不大，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)讓元件溫度超出正常散熱能力，加速老化甚至損壞。因此，日常使用時(shí)最好避免讓微波爐空置運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

1. Vollmer M. Physics of the microwave oven[J]. Physics Education, 2004, 39(1): 74-81.

by 檸七

Q.E.D.
Q6 為什么磁鐵掰開(kāi)一半會(huì)變成兩個(gè)磁鐵而不是一個(gè)南極一個(gè)北極？

by 匿名

答：

實(shí)際上，一條磁鐵可以看做是由很多個(gè)微小的磁針（磁疇）頭尾相連構(gòu)成的。這些“小磁針”都自帶一個(gè)N極一個(gè)S極，這源于電子自旋等量子特性，我們沒(méi)有辦法將其單獨(dú)分開(kāi)。在磁鐵內(nèi)部，這些小磁針不是雜亂無(wú)序的，而是高度有序，指向同一方向，并且是頭尾相連的。

就像這樣：[S→N][S→N][S→N][S→N]······[S→N][S→N][S→N]

一整列小磁針全都指向同一方向，所以你在宏觀上就看到了一條一端是S極，一端是N的磁鐵。

而掰開(kāi)磁鐵，只是將隊(duì)伍分成了兩部分：

[S→N]······[S→N]；[S→N]······[S→N]

你得到的依舊是兩條完整的磁鐵。不會(huì)得到一個(gè)單獨(dú)的N或S極。

那么為什么自然界允許存在電單極子，而不存在磁單極子呢？

根據(jù)經(jīng)典理論（麥克斯韋方程組）的內(nèi)容，磁單極子是不能存在的。我們觀察麥克斯韋方程組：

不難發(fā)現(xiàn)，方程中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是不對(duì)稱的。靜電場(chǎng)是有源場(chǎng)，也就是說(shuō)電場(chǎng)線有一個(gè)起點(diǎn)，始終從正電荷出發(fā)，止于負(fù)電荷，所以電單極子是存在的。而磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)，磁場(chǎng)線總是閉合的，既沒(méi)有起點(diǎn)也沒(méi)有終點(diǎn)，磁單極子無(wú)法存在。經(jīng)典電磁學(xué)將磁場(chǎng)的本質(zhì)歸因于電荷的運(yùn)動(dòng)，這也決定了在經(jīng)典物理框架下，磁單極子是不存在的。

盡管有些其他的理論預(yù)言了磁單極子的存在，但我們至今都沒(méi)有找到它。

by 跑馬仔

Q.E.D.
Q7 為什么鐵軌附近都是石頭？

by Eleanor

答：

鐵軌旁的那些石頭，專業(yè)名稱叫“道砟”。它們看似普通，其實(shí)是保障鐵路安全、穩(wěn)固和耐用的關(guān)鍵一環(huán)。

當(dāng)上百噸的列車高速駛過(guò)，鋼軌和軌枕會(huì)受到巨大壓力。如果直接放在泥土上，重壓之下很快就會(huì)下陷變形。碎石道砟能將鋼軌和軌枕傳遞下來(lái)的巨大壓力，均勻地分散到更廣闊的路基上，保護(hù)軌道結(jié)構(gòu)不被損壞。

石子之間的縫隙能夠形成一個(gè)高效的排水系統(tǒng)，雨水通過(guò)這些縫隙滲入地下，防止積水浸泡軟化和沖刷路基，讓軌枕保持干燥避免腐爛，延長(zhǎng)使用壽命。

緊密的碎石層能有效阻擋陽(yáng)光，創(chuàng)造一個(gè)不利于植物生長(zhǎng)的環(huán)境，從而防止雜草在軌道區(qū)域內(nèi)肆意生長(zhǎng)，避免植物根系破壞路基穩(wěn)定性。

借助碎石的空隙和相互摩擦，可以形成天然的彈性緩沖層和聲音吸收層，有效緩沖列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的巨大振動(dòng)，吸收約60%的振動(dòng)能量。同時(shí)吸收噪音，保護(hù)路基的同時(shí)，也讓乘客的旅途更平穩(wěn)舒適，并減少對(duì)鐵路沿線居民的噪音干擾。

“有砟軌道”還非常便于日常的維修和調(diào)整。鐵路工程師可以通過(guò)專門的“搗固”機(jī)械，調(diào)整道砟的分布和密實(shí)度，輕松地微調(diào)軌道的水平和位置，以消除因長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)而產(chǎn)生的微小變形，讓軌道恢復(fù)平順。

鋼軌與車輪摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，尤其是在炎熱的夏天。道砟碎石間的縫隙提供了良好的通風(fēng)條件，有助于熱量散發(fā)，能有效減少因鋼軌過(guò)熱而發(fā)生脹軌、變形的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

1. https://www.52hrtt.com/tsmny/n/w/info/G1749538372597

by 藍(lán)多多

Q.E.D.
Q8 為什么很多藥品名稱前加鹽酸，醋酸，是成分里有鹽酸嗎？

by 范文波

答：

不是，里面并不含有游離的、具有腐蝕性的鹽酸或醋酸。通常這些藥品的有效分子是堿性或含有氨基等堿性基團(tuán)的有機(jī)化合物，屬于路易斯堿，可以與酸形成對(duì)應(yīng)的鹽。鹽酸XX是XX與鹽酸形成的鹽酸鹽，里面沒(méi)有游離鹽酸，只有氯離子。醋酸XX是XX與醋酸形成的醋酸鹽，里面沒(méi)有游離醋酸，只有醋酸根離子。

by ThymolBlue

Q.E.D.
投票 本期答題團(tuán)隊(duì)

檸七、藍(lán)多多、小被子、冰糕、跑馬仔、ThymolBlue

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編輯：涼漸