[返回网闻导读首页]·[所有跟帖]·[ 回复本帖 ] ·[热门原创] ·[繁體閱讀]·[坛主管理]

【趣味物理】一升开水,一升冰水,混合到一起,居然不是50度?

送交者: 炫笔伏逼[♂☆★★★不闻风知★★★☆♂] 于 2021-06-19 10:59 已读 2287 次  

炫笔伏逼的个人频道

+关注
 

一升100度的水倒入一升0度的水,是不是就是两升50度的水?



嗯,两杯水都是一升,所以一样重。热量从开水到凉水,吸收的热量等于放出的热量。


所以最后的温度就是两杯水平均。(100+0)/2=50℃,完美!



看看这「1+1=2」的问题,怎么会为难我这个小天才?结果一旁的温度计提醒我:


好像有什么东西不太对?


温度计的原理很简单,「热胀冷缩」:温度高了里面的水银跑的老高,温度低了老老实实的缩回去。



如果这两杯水也像水银一样热胀冷缩的话,开水的体积是不是比冰水大啊?


「热胀冷缩」这个概念可能不那么黑科技,我们放大放大再放大,把水分成水滴,再把水滴里面的一个个小分子拿出来看。



(一个标准的水分子)


一杯水具有的能量,与这杯水拥有的分子数量有关。温度越高,分子拥有的能量越多。这些分子又在不停的运动,这些能量就表现为动能,温度高了,移动速度就快了。


温度低的时候,天气冷,这些小分子只能在小房间里抱团取暖。温度高了,热量增加,这些小分子暖和了。之前抱团的小分子,就会像疫情「解封」一样,带着热量到处撒欢。



既然要到处撒欢,活动的地方就不是小房间了。最不济,得找个地方跳跳广场舞吧?



由于小分子要活动的地方变大了,所以温度高的水里面,是更少分子数的水,占了更多的地方。


我们用红墨水标记热水,接着用蓝墨水标记冷水。


热水和冷水混合后,是热水先飘在上面。这也表明了相同体积下,热水的密度相对冷水更小。


如果用物理名词来说,就是「质量不变的前提下,水的温度越高,体积越大,密度越小。」



如果是一样体积的开水和冰水混合,那么开水就少了一点份量。


既然质量不同,混合之后水的分子数就不是单独一杯水的两倍,传递的能量也不是对半分。


所以,最后这杯水的温度,肯定不是50度。


既然答案不是「50度」那么简单,我们应该怎么继续确定混合后水的温度呢?


这个时候就要介绍一下「比热容」这个概念了。


这个概念是「没有相变化和化学变化时,1kg均相物质温度升高1度所需的热量」。



听起来太复杂了,我们再把这个概念简化一下。


每个人都要吃一日三餐,但是胃口好不好,是一门玄学:


心情好了,之前运动过,胃口就会好,吃的也很多;吃饭前吃了零食,或者生了病,胃口就不好,吃的也就少。



如果我们把吃的食物看成「热量」,把影响胃口的因素看成「影响吸收热量的条件」。


那么「比热容」就是吸收热量的「胃口」。



考虑到装水的杯子和水周围的空气都有可能影响热量,们假设「热水放出的热量=冷水吸收的热量」,由于「热胀冷缩」,所以要重新确定密度。


100kPa下0度水密度为0.99986g/cm³,100度水密度为0.95840 g/cm³。


代入计算之后,得出来的结果是48.9414℃。


这杯水虽然比较烫,但是稍微晾晾喝起来还不错。


一升100度的开水,加上一升0度的冰水,最后温度果然不是50度。



但是「比热容」这个新概念又开始让人头大:


之前我们比热容当作可能变化的「胃口」,但是刚才的计算是在比热容不变的前提下得出的。


那么比热容在「冷热交加」的情况下,真的会「不动如山」吗?



没错,比热容的确会随着温度的变化而变化!而且比热容也可以根据温度进行推算!



这个式子太费劲了,宝宝算不出来啊!



简单来说,计算过程就是继续沿着「热水放热=冷水吸热」的思路,把容易受到温度干扰的量和密度,换成了不会因为温度变化的「物质的分子量」。


最后算出来的混合温度是48.98℃,比一开始算的稍微高一点点。


当然由于水的热胀冷缩,混合之后的水肯定不是两升温水。


最后混合的水,体积要比两升小一点,大概是1.98升。



实际上,对于这个看似简单的「开水兑凉水」的提问,有许多正儿八经的论文进行过论述,针对水的「密度」还有「比热容」的变化函数进行了详细的计算。



虽然我们得到了精确的结果,但是看到这里,肯定会人觉得这样的「刨根问底」有点太复杂。


当然了,生活当中,这个问题不用过于较真。但是对于科学而言,这就不仅仅是「不较真」那么简单了。


简单的热水和冰水里面,就已经蕴含了密度,温度,热量等一系列概念。这些概念之间的相互交叉,让一个本来简单的问题,变得趣味横生。



科学探索的过程,就是搞懂这些关系,让这些概念不再虚无缥渺的探索之旅。


复杂的计算和推理终于结束了,但是这只是探索之旅的一小步。


热水和冷水之间的混合,没准也能给你的生活,带来一份探索的快乐。


最后提醒一句:天气要转凉了,多喝热水。



(文中图片素材来源自网络,仅供学习交流使用)

喜欢炫笔伏逼朋友的这个贴子的话, 请点这里投票,“赞”助支持!

内容来自网友分享,若违规或者侵犯您的权益,请联系我们

所有跟帖:   ( 主贴楼主有权删除不文明回复,拉黑不受欢迎的用户 )


用户名: 密码: [--注册ID--]

标 题:

粗体 斜体 下划线 居中 插入图片插入图片 插入Flash插入Flash动画


     图片上传  Youtube代码器  预览辅助

打开微信,扫一扫[Scan QR Code]
进入内容页点击屏幕右上分享按钮

楼主前期社区热帖:

>>>>查看更多楼主社区动态...



[ 留园条例 ] [ 广告服务 ] [ 联系我们 ] [ 个人帐户 ] [ 创建您的定制新论坛频道 ] [ Contact us ]