为什么冰箱是个柜子，而冰柜又是个箱子？| No.229

Original Frions 中科院物理所 2021-01-06

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213个

有一种柜子
虽然是站着从侧面开门的
但它叫做“冰箱”
有一种箱子
虽然是躺着从上面开门的
但它叫做“冰柜”
那为什么冰箱是个柜子
而冰柜又是个箱子呢

Q1

请问纸泡在水里晾干后为什么会变皱呢？如果是在其他溶液里也会变皱吗？by 薯片

答：
纸的主要成分是植物纤维，而纤维素分子上有大量的羟基，干燥的纸的强度主要来自于羟基之间形成的复杂的氢键网络。纸之所以能够吸水也是由于羟基是一种亲水基团，纤维细胞吸收水后体积膨大的过程称为纤维的润胀，在这个过程中羟基和水分子之间形成氢键产生水桥，同时水分子进入纤维细胞内部促使纤维比容增大。润胀会造成两个后果：第一是减弱了纤维的内聚力；第二是使纤维细胞壁内各层微纤维之间产生了层间滑动，使挺硬的纤维变得柔软可塑。
如果不外加干预即让纸自然风干，纤维素分子之间由于层间滑动导致疏密不一，即原有的紧密的氢键网络是无法自然恢复的，因此被水泡过的纸干了之后会变皱，其他溶液也可以产生这样的效果，这主要和溶液分子的极性有关。网上流传的将变皱的纸沾湿之后用字典压平等其变干之后会变平整的说法是正确的，这类似于造纸过程中的打浆，即通过外加应力使纤维素分子之间更好地形成氢键连接。
参考文献：
肖德林.打浆过程中纤维的润胀[J].湖南造纸,1994(01):34-37.
造纸原理与工程.
打浆的影响因素及对成纸性能的影响. 杜春宇
by 牛肉狂魔
Q.E.R.

Q2

为什么冰箱是个柜子，而冰柜又是个箱子？

by 1

答：
要说清楚这个误会，需要追溯一下冰箱冰柜是在什么情况下命名的。实际上中国古代很早就有了“冰箱”，只不过不用电而且最初他们也不叫冰箱而是叫“冰鉴（hàn）”或者“冰厨”。很多典籍都有关于冰鉴的记载，比如《周礼·天官·凌人》：“祭祀供冰鉴”，《吴越春秋》：“勾践之出游也，休息食宿于冰厨。”所谓“冰鉴”就是冬天的时候储存好冰，夏天把食物放在其中用于保鲜的容器，同时还可以散发冷气，给室内降温。冰箱+空调双重作用！
“冰鉴”这个名字一直持续到清朝，直到乾隆皇帝时御制掐丝珐琅冰箱（如上图），才将“冰鉴”更名为冰箱，此时的冰箱是符合我们的认知的，在中国的习惯里“卧为箱，立为柜”，箱一般是躺着放置并且从上面开门的容器，而柜则是站着放置（一般有脚）的从侧面开门的容器，在中国很少有容器违背这个原则，可见最初的冰箱确实是箱子！实际上电冰箱出现之前，西方也有类似冰鉴的东西，制冷原理也差不多。
关于现代意义的电冰箱的发明说法不一，常见说法是1923年瑞典工程师Balzer von Platen和Carls Munters发明了第一台电冰箱，大概是在1940-1950年之间电冰箱（柜子形状）传入我国，当时的人们一看，这功能和我们的冰箱不是一样的嘛，所以为了方便（懒得改口），即便它本身是柜子形状，依旧取名为“电冰箱”。为什么带一个“电”字，一方面可能是因为是当时使用电的东西并不多（实际上很多用电的东西名字都带了“电”、“机”这类字眼），另一方面当时本来就有本土的不用电的冰箱，称为电冰箱也算自然。
第一台家用冰柜的出现的具体时间已很难考证，但可以确定是出现在冰箱之后，冰柜耗能比冰箱大许多，最初目的是给商场之类的地方使用。箱子形状的冰柜传入我国的时候，人们才意识到，这才是名副其实的“电冰箱”，但是冰箱的名字已经被那柜子一样的东西给抢走了，重新改名已经不便，再考虑到一般这种闭合的容器都是称为“柜”或者“箱”，无奈只能称其为冰柜了。
可见，是传入时间不同导致冰箱冰柜名不符实，相信如果这两个产品同时传入中国，叫法会完全相反。
参考资料：《国宝100》、为什么冰柜是个箱子，冰箱是个柜子？
by Alan
Q.E.R.

Q3

为什么在油炸食物时食物的外表会变成金黄色呢？为什么变成金黄色就代表食物熟了呢？by 嘤嘤嘤

答：
油炸食物时，在长时间的高温烹饪过程中会发生一系列化学反应，食物原料中游离的或组成淀粉的糖分子可以发生焦糖化反应，在加热温度超过它的熔点时脱水或降解，进一步缩合生成黑褐色产物；也可能和氨基酸发生相互作用，最终生成数百种颜色和风味极为复杂的化合物，后一个过程被称为美拉德反应。这两种褐化反应都可以为食物带来金黄色的外观与复杂的香气。
小编在家翻菜谱时常看到裹上面包糠，下锅炸至金黄，然后隔壁小孩就馋哭了。一般油炸肉类，下锅前会沾一层干面包或面糊，这层薄层可以避免肉的表面直接接触到油脂，同时面糊快速脱水形成好吃的脆皮，当肉没炸熟时会流出汁液，脆皮潮软，需要炸到油脂中不出现气泡才能出锅。油炸至金黄色则是考虑到足够时间的加热，又不至于过度油炸产生致癌物质。
参考文献：
蔡妙颜, 肖凯军, 袁向华. 美拉德反应与食品工业[J]. 食品工业科技, 2003(07):90-93.
哈洛德·马基. 食物与厨艺,奶·蛋·肉·鱼[M]. 北京美术摄影出版社, 2013.
by 观山不易
Q.E.R.

Q4

怎样回答宝宝问题：光线为什么不能抓在手里？

by 人类真奇怪

答：
光是人类生存不可或缺的东西之一，但司空见惯的光却有着让人摸不透的本质，而就是这个本质使其没法被我们用手直接捕捉。
那光的本质到底是什么呢？这就要追溯到古希腊时期，当时的哲学家们就曾提出：光是由一粒粒非常小的“光原子”组成（后被称为“微粒说”，不得不说古希腊哲人这直觉准得令人惊叹）。虽然没有直接证据能证明这个说法的正确性，但“微粒说”却一直统治者上古科学界。直到 17 世纪初，“波动说”的出现，才打破这一僵局，托马斯·杨的双缝干涉实验、麦克斯韦计算出电磁波传播速度就是光速、赫兹通过一个高频振荡回路证明了电磁波的存在等均揭示了光的波动性，此时“波动说”占据了上风。但赫兹在证明电磁波存在的同时，也发现了一个奇怪的现象——光电效应（在高于某频率的光的照射下，某些物质的表面会产生电火花的现象），这是一个没法用已有理论解释的现象。直到1905年，爱因斯坦受到普朗克能量量子化假说的启发，提出了光量子假说成功解释了光电效应，“微粒说”再次重整雄风。直到今天，我们说光具有“波粒二象性”，它既具有波的性质（电磁波），也具有粒子的性质（光子，静质量为0，非实物粒子）。所以说，无论从波的角度看还是从粒子的角度看，光都没有一个真正意义上的“实体”，而且其在空气中的传播速度接近3×10⁸ m/s，自然是没法用手直接捕捉到的。
鉴于本题的提问者是一位可爱的宝宝，故在此提供一个简易版回答：我们肉眼能看见的光并不是一个“客观实体”（不同于你平时能用手拿起来使用的物品），所以没有办法用手捕捉到。可能这样一个回答还是会让你困惑，不过随着你慢慢长大，学到的知识越来越深，最终肯定能明白的。为你的好奇心点赞，希望你对这个世界一直充满好奇。
by Eric
Q.E.R.

Q5

纸能包住火吗？

by 绍初191204

答：
纸包火的时候是否会被点燃取决于：1、纸的温度是否达到着火点；2、是否有氧气等助燃剂。
不同物质燃烧的火焰温度是很不一样的，有的比较低，比如普通打火机火焰大概 300-500℃，而有的很高，比如用于电弧的火焰可达到4000℃。普通纸张的着火点一般在130-255.5℃。因此可以说，就一般意义下，干燥的纸张在空气中是包不住火焰的。
但如果非要用纸去包住火呢？也是可以的。比如说盛有水的纸，这个时候火焰便无法点着纸，因为水达到沸点（100℃）时会沸腾并快速将热量带走，使得纸感受到的温度达不到着火点；又或者我们用稀酒精打湿纸张，这个时候点燃纸张会发现，火焰熄灭以后纸张完好无损，道理也是一样的，都是因为稀酒精里面的水汽化带走了热量使得温度无法达到着火点（可参考视频：一张熊熊烈火也无可奈何的纸）（实验危险，请勿模仿）。当然，我们好像还没有把火“包”起来，那就把包了火的纸浸没在水中就可以了。
除此之外，有的物质不需要氧气就可以燃烧，比如镁可以在氮气中燃烧，这种情况下，让纸处于惰性气体环境中，包住火焰也是可能的。
图源自网络
by Alan
Q.E.R.

Q6

为什么农村的摇井（就是一口井，上面建一种像称杆一样的汲水装置）如果里面干涸了，摇柄压不出水，这时只要往里面倒一些水进去，再压就会出水？by 深山里的无知少年

答：
根据你的描述，我想你说的应该是这个家伙：
这个是活塞式抽水机，是一种利用大气压汲水的装置，也被称作吸取式抽水机。这种装置因其制造简单，成本低廉，广泛存在于我国农村地区，其工作原理如图所示：
（图源自百度百科）
其中阀门 B 为单向阀，水只能由下向上进入圆筒。工作时，向上提起摇杆，利用杠杆原理使活塞向下，挤压圆筒中的水，此时单向阀 B 关闭，通过水的挤压打开阀门 A ，离开圆筒，由前方流出。然后向下压下摇杆，活塞被提起，圆筒内空间变大，压强变小，在大气压下，井里的水将通过单向阀 B 向上进入圆筒。重复上述周期，即可不断地将水从井里抽上来。需要注意的是，该装置使用时必须保证水源与大气连通，并且由于大气压与 10.36 米高的水压强大致相同，因此活塞式抽水机不可能汲取超过 10.36 米深的井水。
下面我们来看为什么使用前要加水。实际上由于农用成本的考虑，阀门 A 与 B 均不能保证密封，甚至往往是没有阀门 A 的，而是用一块直径略大于圆筒内径的橡胶垫同时充当活塞与阀门 A，在活塞运动时，橡胶垫边缘会发生蜷曲，水便从其缝隙中流过，因此活塞处气密性很差，此外圆筒多为生铁铸造，内壁不够光滑，因此该装置实际上气密性较差。停止工作后，圆筒内部的低压环境会被迅速破坏。所以，重新开始工作时便要注水以排空圆筒内的空气，来重新建造一个低压环境。水由上注入圆筒，由于重力作用会向下流入井里，挤压圆筒内水下的空气向下离开圆筒，此时我们迅速下压摇杆，使圆筒内水上空间气体离开圆筒。一般情况下，我们需要持续此过程直至水将圆筒内气体全部挤压出去，此时圆筒内的水与井水直接相连，中间没有气体，我们就可以提压摇杆从井中汲水了。
by 霜白
Q.E.R.

Q7

为什么鱼死了之后会肚皮朝上然后浮上水面？

by 一位爱生物的同学

答：
要解释这个问题，我们首先要知道鱼在活着的时候是如何控制在水中的上浮或下沉的。在家处理过鱼肉的小伙伴或者观察过家长处理鱼的小伙伴应该见过鱼肚子里有一种像气囊一样的器官，如下图：
（图源网络）
这就是鱼鳔（biào)。它就像一个内置的游泳圈，当鱼身体的肌肉压缩鱼鳔时，鱼的体积会减小，整体密度增加，就可以在水中下沉；反过来，鱼鳔舒张时，鱼的体积会增大，整体密度减小，就可以在水中上浮。
（图源网络）
鱼鳔一般位于鱼体腔内靠近脊柱的位置，由于鱼鳔的存在，鱼的重力中心（这里基本等同于质心），鱼浮力中心（这里基本等同于体心）并不在同一点上。对于正常状态下浮力中心位于重力中心下方的情况，我们可以看到这只是一种亚稳态，因此在水中，这类鱼需要主动去保持平衡，才能保持身体的正姿，而当这类鱼死亡之后，无法保持平衡，自然就会翻白肚。那么正常状态下浮力中心位于重力中心上方的鱼类在死亡之后就不会翻白肚了吗？也不一定，当鱼类死亡之后体内的微生物会分解有机物产生大量气体，这些气体就主要充斥在鱼鳔之中，由于鱼鳔上部是坚实的肌肉和骨骼，而下方是柔软的内脏和富有弹性的下腹，因此鱼鳔就会逐渐向下扩张，从而导致浮力中心的下移，然后就会翻白肚，并浮上水面。
by 前进四
Q.E.R.

Q8

大小不同的两个气泡一起从水池底出发，不考虑气泡破裂的情况，哪个先到水面？by 小没脾气

答：
有关流体力学的实际问题通常都是很难的问题，气泡在液体中的运动则是更加复杂的气液两相流问题。我们首先考虑最简单的情况，即假设气泡上升过程中仍然保持为均匀的球体且水不是很深（≤1m），水压与大气压相比可以忽略不计。而水的表面张力带来的附加压强可表示为两倍的液体表面张力系数和气泡半径的比值。对于半径R约为 0.1mm 的气泡而言，常温下附加压强为 1.5kPa，仅仅是大气压(约 101.3kPa)的零头。故而我们可以认为气泡在上升过程中内部压强和半径近似不发生变化。因此气泡的运动方程可由下式给出：
上式右边第二项为气泡所受浮力减去自身重力，而右边最后一项则为气泡在水中所受的粘滞阻力，当气泡为球形且运动速度不太大时，我们有斯托克斯公式：
，其中是液体的粘滞系数。
通过解上述微分方程，我们可以很容易地得到，在气泡初速度为 0 时，有：
可知，气泡的终速度，并且达到终速度所需的特征时间，在我们想要考虑的情况中，特征时间都很小，哪怕对于半径达到 5mm 的气泡，也不足 0.01s，故而我们可以认为气泡以终速度在水中运动。而半径更大的气泡具有更大的终速度，因此在这种简单情况下大气泡将更先到达水面。
我们上面仅考虑了一种非常简单的情况，真实的情况将远比上面的讨论复杂。事实上，气泡在水中运动时其形状可能发生变化，比如可能从一开始的球形变成椭球形或者球帽性，甚至会出现气泡并非沿直线上升而是之字形上升的情况，如下图所示：
蒸馏水中的气泡上升轨迹。图片来源：参考文献[1]
其中 D₀ 是喷嘴直径，d₀ 是气泡直径。另一方面气泡的终速度与气泡直径之间的关系也没有我们之前讨论的那么简单，其大小会受到如注射方式、喷嘴直径，气泡直径等诸多因素的影响，具体如下图所示：
图片来源：参考文献[1]
可以看到，水中气泡的上升终速度并不像我们之前计算的那样正比于直径的平方，而是气泡较小时，与气泡直径成线性关系，气泡较大时终速度增长变缓，因此更大的气泡会先到水面的结论在气泡直径d≤0.83mm或d≥6mm时勉强还算成立。
到这里可能有人要问，不会吧，不会吧，不会真有人推出的公式实际上啥用也没有吧？
emmmm，由于上述的模型过于简化了，它在实际问题中有效的时候确实特别有限。不过值得庆幸的是，我们之前讨论的那种最简单的情况对于高粘度液体中的小气泡是近似成立的，例如在甘油水溶液中小气泡上升的终速度则与直径的平方成正比。
气泡在甘油水溶液中的上升运动。图片来源：参考文献[1]
气泡在甘油水溶液中的上升运动。图片来源：参考文献[1]
总之，气泡在液体中上升的问题属于非常复杂的气液两相流问题，虽然目前已经有了一些比较有效的半经验公式去描述气泡的运动，不过更一般的情况还是得通过实验或者数值解偏微分方程模拟获得。
参考文献：[1]刘柳. 垂直上升管中气泡动力学特性实验研究[D].中南大学,2013.
by John Watson
Q.E.R.