為什麼流動的水不易結冰？

科技 08-11

炎熱的暑假

小夥伴們都出去遊山玩水

大自然的山水之樂

給忙碌的心情放了個假

潺潺的流水總是一道獨特的風景

為什麼流動的水不易結冰呢？

都說空氣在不斷無規律運動，那為什麼不會運動到太空中呢？這樣不是就沒真空了嗎？

By 王錦飛

首先，作為地球人不要對地球太過自信，如果地球上這點空氣如果均勻分布到整個太陽系，那麼平均要大約幾百甚至上千立方米的空間中才會有一個空氣分子，而太陽系不過是人類可觀測宇宙中的滄海一粟（的確，太陽系之於可觀測宇宙相當於一粒小米之於太平洋）。作為地球人我們並不需要擔心地球上的空氣「污染」了太空的真空，因為太空真的實在是太太太空了。

其次，由於地球引力，地球上的空氣也幾乎不會跑到太空中去。這主要是由於空氣分子（氧分子、氮分子……）太重了，雖然空氣分子在不斷無規律運動，但是由於重力的存在，大部分空氣分子並不能運動到很高的地方去。這也是海拔越高氣壓越低的原因。當然，較輕的分子更容易擺脫引力的束縛，事實上地球大氣中的氫氣氦氣早就逃逸的差不多了,因此現在地球大氣中幾乎沒有氫氣和氦氣這兩種氣體。相比之下，木星之類的巨行星的大氣中就有豐富的氫氣和氦氣。當然也有少量的地球大氣會逃逸到太空中去，這些逃逸的氣體也主要是氫氣和氦氣，其中每年會有大約十萬噸氫逃逸到太空，而氧氣和氮氣則幾乎不會逃逸。

為什麼流動的水不易結冰？

By xianzy

這個和結晶過程需要水分子在凝結核周圍有序的聚集有關。靜水中，在達到冰點時，如果水中存在凝結核，水就會慢慢在凝結核周圍結晶成冰，凝結過程正是從這些凝結核開始擴散到整個水存在的區域的。但是如果水流動起來，造成的擾動就會對水分子在凝結核周圍的有序聚集起到一定的破壞作用，從而使得冰凍過程變得困難。

比較有意思的是，在水缺少凝結核的時候會形成過冷水（低於冰點卻不冰凍的水）。與之相對應，在水缺少汽化核的情況下還會形成過熱水（高於沸點卻不沸騰的水）。

0℃冰熔化成0℃水，吸收熱量，溫度不變，內能增加。請問增加的內能體現在何處？

By wurenji

上周回答了0℃的冰和水分子間距大小的問題，大家還記得冰中水分子間距更大嘛？不了解的同學可以去上一期複習下。這周我們來了解下0℃冰熔化成0℃水時，內能增加的原理。

首先我們來看一下內能的定義，內能是組成物體分子的無規則熱運動動能和分子間相互作用勢能的總和，簡而言之，內能=分子動能+分子勢能。從統計物理角度出發，我們認為分子平均動能由溫度決定，因此在0℃冰熔化成0℃水的過程中，由於溫度不變，動能也是不變的。而冰中的水分子間距更大，因此熔化過程中，分子間距是減小的。根據分子勢能和分子間距離的關係圖，而水的分子間距大概在r附近，而冰中分子間距大於r，因此分子勢能增大，總體表現為內能增大。

或者我們換個簡單的角度來考慮，改變內能的兩種方式是做功和熱傳遞。0℃冰熔化成0℃水的過程是一個吸熱的過程，也就是熱傳遞給了物體，所以內能增加。

為什麼高處比低處冷，越高不應該越離太陽近嗎？請用大白話回答

By Benson

事實上，地球表面大氣的溫度並不完全是隨著高度的升高而降低，而是在不同的高度有不同的表現。以對流層和平流層為例，對流層內大氣溫度隨高度的增加而降低，海拔每升高100米溫度約降低0.6度，而在平流層底部溫度基本恆定，海拔超過20km的部分溫度隨高度的增加而升高。原因在於，不同的區域大氣獲取熱量的途徑不同，陽光的輻射是所有大氣共同的熱量來源，這也給題主海拔越高陽光越強（並不是因為離太陽近，而是大氣對陽光的吸收比較弱）從而溫度越高的印象。不過對於大氣層底部的空氣來說，地面也會對其直接加熱。從今年的報道來看，地表溫度突破70攝氏度的城市並不少見，地表對空氣的加熱效應很明顯，而海拔越高地表的加熱效果越不明顯，從而導致低海拔處溫度高，高海拔處溫度低。對於平流層的大氣來說，地面的影響可以忽略，陽光輻射成為熱量的唯一來源。隨著海拔的升高，空氣的臭氧含量升高，這導致大氣對紫外線的吸收增加，溫度逐漸上升。

為什麼推一下筆，筆往前走，它還會來回滾幾下再停？他受到了什麼力？

By 蘇堤春曉

首先表揚一下該提問的粉絲，對平時的生活細節觀察地很到位。我們通過理論計算髮現，如果筆桿是嚴格意義上的圓柱形（即重心嚴格處於中心），以及桌面也是嚴格意義上的平坦（平坦不代表光滑，也就是說摩擦力依舊存在，不然筆也停不下來）的話，那麼筆桿一定會是直接停下來，而不是來回滾幾下再停，這是牛頓力學所決定的（有興趣的讀者可以簡單推算一下）。因此，出現來回滾動幾下再停只可能是因為筆桿的中心並不是剛好在正中心或者桌面有一些很細微的凹凸或者是二者皆有。由於筆桿大致呈圓柱形，其與桌面的接觸面積很小，因此對上述的兩種擾動十分敏感，而筆桿最後停下來的位置肯定是勢能最低的地方（重心最低），因此筆桿一般情況下會來回滾動以調節自身的位置，從而最終找到一個穩定平衡的位置。另外，通過小編的反覆試驗發現，一般情況下可能第一個原因是主因，即筆桿的中心不是剛好處於正中心（至少小編的筆是這樣的）。當然，讀者也可以自己做個小實驗看看，方法很簡單，在筆桿上做個標記，然後多滾動幾次筆桿，看看是不是每次筆桿最終停下來時都是同一部位貼著桌面。

為什麼騎自行車比步行又快又省力？兩者的靜摩擦力都不做功，那我們累的氣喘吁吁的能量都去了哪裡？

ByDoris

題主的邏輯乍一看很有道理：摩擦力都不做功了，怎麼還會消耗能量。但這是習題中理想情況下的邏輯。實際情況要複雜得多，運動系統不止受到地面的摩擦力，空氣阻力、機械內部的摩擦以及人體姿態的變化都會消耗能量：騎車時能量的損耗主要有三個：來自於從動輪的阻力、自行車本身摩擦引起的損耗、風阻。其中風阻隨著速度的增加而增加，在達到極限速度時你會發現空氣會向牆一樣阻礙你前進。這也是自行車運動中存在破風手存在的意義。對於行走，仍然存在風阻和地面的阻力，但是和自行車運動不同的是，行走伴隨著重心的高低起伏，不過重心勢能的釋放並沒有轉化為動能而是在向下減速過程中轉化成了熱。一言以蔽之，騎車的能量利用率高於行走，但兩者都需要我們消耗能量來維持他們的運動。

為什麼太陽換成黑洞地球的運動軌道依舊不變？

By 清則優

首先，太陽的質量不足以形成黑洞。我們可以把問題這樣表述：為什麼將一顆恆星換成和其質量相同的黑洞不影響同一顆行星的軌道。只要了解牛頓的萬有引力定律我們就可以回答這個問題。首先，請題主想像一個場景：有兩個品質相同但表面顏色不同的音響分別在你面前同樣的位置播放同一段音頻，如果整個過程中你閉著眼睛那麼你是否可以分辨出它們的顏色?答案顯然是否定的。因為聽覺只能分辨聲音信號，而聲音信號只和音頻本身還有音響的品質有關而和顏色無關，要想分辨顏色就必須要用到其他的探測手段—視覺。類似的例子還有很多，例如對於電子的簡併能級，只測量能量不足以確定電子的狀態，還需要測量它的自旋、角動量等信息。題主的問題也是這樣的問題：從牛頓的萬有引力定律可知行星的軌道只能感知兩種信息（忽略形狀因素）：一個是星體之間的距離，另一個就是中心星體的質量。也就是說只要中心星體的質量一樣，不管它是恆星還是黑洞還是一塊磚頭，同一顆行星的軌道都是一樣的，就像是無論紅色音響還是黑色音響發出的聲音都是一樣的。那怎麼來判斷它是黑洞還是恆星呢？看一看它「黑不黑」就行了。

By 淺藍深藍

中子是電中性的，但是中子星的磁場是哪裡來的呢？

中子雖然是電中性的，但是通過實驗發現中子內部是有非中性的電結構的，概括來說中子主要由3個帶電的夸克構成，夸克在中子中不斷「運動」進而產生磁場。也因此中子帶有非零的磁矩（約為-9.66×10^-27J/T）。類似地，中性的原子甚至宏觀物體（比如磁鐵）的磁性也是原因其中的電結構。

雖然說中子本身具有磁矩，但是通過對脈衝星（中子星的一種）的觀測發現，脈衝星的磁場之強遠非僅靠中子磁矩能夠達到。這其中必然有其他的磁化機制存在（註：目前觀察到的中子星表面磁感應強度甚至可達千億特斯拉，而愚蠢的人類在實驗室中能夠達到的僅僅是100特斯拉的脈衝磁場）。中子星雖然名為中子星，但是中子星裡面還是存在一些電子和質子（佔十幾分之一的質量），並且其中的電子是相對論性的高度簡併電子，在費米面附近的能態密度遠遠大於非相對論性電子。這些電子才是中子星強大磁場的主要來源（至少現在的理論是這麼認為的）。中子星的強磁場主要起源於在前體恆星磁場誘導下相對論性強簡併電子氣的泡利順磁磁化。

綜上所述，中子雖然是電中性的，但是中子仍然擁有磁性；雖然中子擁有磁性，但是中子磁矩並不是中子星磁場的最主要來源。