如果造一臺“抽氣機”，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？

問答導航
Q1 高空冷氣能降到地面來降溫嗎？
Q2 為何夏天開車手會被曬黑？
Q3 刀只切豆腐會變鈍嗎？
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，并不會讓城市涼快下來。且這個搬運過程本身就會把空氣加熱，降溫效果微乎其微，甚至會讓局部更熱。

問題的關鍵出在“搬運”這個動作上。高空空氣確實冷，比如萬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。當空氣被強行壓向地面，隨著海拔降低，它會被越來越稠密的大氣劇烈壓縮。

這里涉及一個叫“絕熱壓縮”的物理過程。我們可以回想給自行車打氣的場景——打氣筒的筒壁會發熱。這不是摩擦生熱，而是在壓縮空氣時，外界對它做了功，內能增加，溫度自然升高。下沉的空氣就像那個被壓縮的氣柱。

根據大氣物理學中的“干絕熱遞減率”，干燥空氣每下沉1公里，溫度會因壓縮而升高約10攝氏度。當然，這只是一個理論趨勢，現實中，一坨冷空氣在下沉途中會不斷與周圍更暖的空氣混合，熱量迅速交換。它雖不會真的被加熱成滾燙的熱風，但它原本那點涼意，在到達地面時已基本被壓縮的物理做功消耗殆盡。

自然界里有個現成的例子叫“焚風”。原本涼爽的氣流翻過高山，在背風坡下沉時受絕熱壓縮影響，到達山腳時變得干熱。這也是高山背風坡常出現干熱河谷的原因之一。

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

參考文獻：

1. 盛裴軒, 毛節泰, 李建國, 等. 大氣物理學[M]. 北京: 北京大學出版社, 2003.

by 檸七

Q.E.D.
Q2 為什么紫外線理論上透不過玻璃，夏天開車手還是會被曬黑？

by Berry

答：

玻璃能阻擋紫外線這句話其實只是說對了一半，玻璃確實可以擋住大部分會把你曬傷的紫外線，但是對于那些能把你曬黑、曬老的紫外線，確實阻擋不住的。

根據波長和穿透力，紫外線主要分為UVA（長波紫外線）和UVB（中波紫外線）兩種。

其中UVA穿透力極強，可以輕松穿透玻璃。它能深入皮膚真皮層，導致曬黑、長斑、產生皺紋；UVB能量高，波長短，大部分會被玻璃擋在室外，它只能到達皮膚表層，可以讓你在短時間內曬傷。

汽車不同位置的玻璃在阻擋UVA的能力上也有所不同，對于普通的側窗玻璃，也就是我們開車的左右兩側玻璃，它對UVA的阻擋率極低只有30%。前擋風玻璃則是在60%~80%左右，因為它采用夾層結構，并加入了抗UV的PVB膜，防護明顯更好。

所以如果想要更好的防護紫外線曬黑，給玻璃貼膜會更好哦，認準“紫外線阻隔率>99%”或“UV400”標志。

by 藍多多

Q.E.D.
Q3 如果一把刀只用來切豆腐，并且過程當中永遠不會碰到其他東西，這把刀會不會慢慢變鈍，或者說，硬度級別差異如果足夠大，那硬度高的東西會不會永遠部磨損？

by 白猿

答：

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

金剛石刀頭切割玻璃[2]

有趣的是，提問者把這個情景推到了極端，雖然豆腐沒有所謂的硬度，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。我們為何不將這個繼續推到極限？我相信大家都聽過水滴石穿的故事，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長時間的沖刷磨損讓堅硬的石頭發生變化，雖然這其中可能有可能有水中微粒或者化學反應的磨損，但是不可否認的是，長時間的水流的沖刷力作用也是其中一個因素。把豆腐比作水流，長時間對刀作用一定也會發生磨損，因為微觀中的原子分子相互作用中一定會讓硬度大的物體的表面原子逐漸被剝離。

參考文獻：

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 一個速度50KM/小時的人撞到一輛靜止的火車，和一個速度50KM/小時的火車，撞到一個靜止的人時，不算二次傷害的話，瞬時造成的傷害一樣嗎？

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？

碰撞前后系統的總動量是守恒的，因此很容易列出

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

一顆鋼球在碰撞前后幾乎不發生形變，動能損失極小，因此它的恢復系數接近1；而現實中，人與火車相撞的恢復系數幾乎等于0——我們久經鍛煉的肉體還是太“脆”了，在撞上火車的瞬間會發生極大的不可逆物理形變，這也是撞擊傷害的主要來源。

公式已經備好，我們首先計算“人撞火車”的情況，碰撞后火車的速度

由于火車質量遠大于人， ，火車被人撞后仍然不動；而人的速度：

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

再計算“火車撞人”的情況，碰撞后火車的速度

火車質量遠大于人，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，人會糊在火車頭上跟著火車一起跑，速度變化量絕對值仍為50km/h。

只要火車的質量遠大于人，在這兩種場景中，人體瞬間承受的速度變化量絕對值就是相等的，受到的沖量也相等。根據動量定理：

假設碰撞時間 一致，人的受力和碰撞瞬時傷害也完全相同。當然，在現實中，我們在主動撞擊物體之前往往會伸出手臂緩沖，運動的火車造成的后續傷害也遠大于靜止的火車——但無論如何，都請避免和一個質量遠大于自己的物體相撞！

參考文獻：

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：

微波爐空轉時，消耗的電能并沒有消失，而是絕大部分留在了機器內部，最終轉化成了熱量。

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

但當爐內空無一物時，微波失去了主要的吸收對象，只能在金屬爐腔內來回反射。

金屬內壁對微波的反射率很高，但并非完美。每次反射時，都會因金屬的微小電阻產生少量感應電流，把一小部分能量轉化為熱能。雖然單次損耗很小，但在高頻的反復反射下，爐腔內壁和玻璃盤還是會緩慢升溫。

更重要的是，大部分微波在多次反射后會順著波導管原路返回，重新進入磁控管。磁控管本身將電能轉為微波的效率通常只有60%-65%左右，剩余部分本來就以熱的形式耗散。當大量反射微波回流時，管內損耗進一步增加，導致磁控管溫度明顯上升，熱量自然就積累在機器內部。

短時間空轉問題不大，但長時間運行會讓元件溫度超出正常散熱能力，加速老化甚至損壞。因此，日常使用時最好避免讓微波爐空置運轉。

參考文獻：

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

by 檸七

Q.E.D.
Q6 為什么磁鐵掰開一半會變成兩個磁鐵而不是一個南極一個北極？

by 匿名

答：

實際上，一條磁鐵可以看做是由很多個微小的磁針（磁疇）頭尾相連構成的。這些“小磁針”都自帶一個N極一個S極，這源于電子自旋等量子特性，我們沒有辦法將其單獨分開。在磁鐵內部，這些小磁針不是雜亂無序的，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。

而掰開磁鐵，只是將隊伍分成了兩部分：

[S→N]······[S→N]；[S→N]······[S→N]

你得到的依舊是兩條完整的磁鐵。不會得到一個單獨的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？

根據經典理論（麥克斯韋方程組）的內容，磁單極子是不能存在的。我們觀察麥克斯韋方程組：

不難發現，方程中的電場和磁場是不對稱的。靜電場是有源場，也就是說電場線有一個起點，始終從正電荷出發，止于負電荷，所以電單極子是存在的。而磁場是無源場，磁場線總是閉合的，既沒有起點也沒有終點，磁單極子無法存在。經典電磁學將磁場的本質歸因于電荷的運動，這也決定了在經典物理框架下，磁單極子是不存在的。

盡管有些其他的理論預言了磁單極子的存在，但我們至今都沒有找到它。

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，專業名稱叫“道砟”。它們看似普通，其實是保障鐵路安全、穩固和耐用的關鍵一環。

當上百噸的列車高速駛過，鋼軌和軌枕會受到巨大壓力。如果直接放在泥土上，重壓之下很快就會下陷變形。碎石道砟能將鋼軌和軌枕傳遞下來的巨大壓力，均勻地分散到更廣闊的路基上，保護軌道結構不被損壞。

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

緊密的碎石層能有效阻擋陽光，創造一個不利于植物生長的環境，從而防止雜草在軌道區域內肆意生長，避免植物根系破壞路基穩定性。

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，有效緩沖列車經過時產生的巨大振動，吸收約60%的振動能量。同時吸收噪音，保護路基的同時，也讓乘客的旅途更平穩舒適，并減少對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整。鐵路工程師可以通過專門的“搗固”機械，調整道砟的分布和密實度，輕松地微調軌道的水平和位置，以消除因長期運營而產生的微小變形，讓軌道恢復平順。

鋼軌與車輪摩擦會產生高溫，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條件，有助于熱量散發，能有效減少因鋼軌過熱而發生脹軌、變形的風險。

參考文獻：

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

by 藍多多

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的有機化合物，屬于路易斯堿，可以與酸形成對應的鹽。鹽酸XX是XX與鹽酸形成的鹽酸鹽，里面沒有游離鹽酸，只有氯離子。醋酸XX是XX與醋酸形成的醋酸鹽，里面沒有游離醋酸，只有醋酸根離子。

by ThymolBlue

Q.E.D.
投票 本期答題團隊

檸七、藍多多、小被子、冰糕、跑馬仔、ThymolBlue

點擊這里或識別下方二維碼快速提問往期也精彩

編輯：涼漸