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衣物晾干就变硬?别急,这其实是个物理问题

2023/7/29 20:03:15 来源:中科院物理所 作者:Frions 责编:梦泽
衣服终于洗好晒干了
你兴高采烈地把衣物收了下来
可是你发现
为什么衣服变硬了啊喂!
别急,本期就用物理的方法
帮你摆脱衣物变硬的烦恼

Q1、地铁里为什么会刮风?密封不严吗?

by 星影无疆

答:

不管是地铁车厢还是地铁站,都是需要通风、有空调系统的。其中地铁站与隧道还是联通的,列车行驶起来风会很大。在车厢里,通风换气系统是必需的。成年人在相对安静的状态下通气量大约 5~10L / min,如果不通风,拥挤车厢里很快就会有人缺氧。这些通风系统就会带来空气流动。

by 井筠

Q2、循环小数是否可以进行加减乘除运算?有没有严格的规定?

by 大道至简 bj

答:

循环小数是有理数,一定可以写成两个互质的整数的分数的形式,运算的时候当成普通分数就好。别说加减乘除了,就是取极限,算微积分也没什么特殊的。具体运算方法参见各年级数学教材。

by 霜白

Q3、为什么每次袜子洗完晒干了之后都特别硬,怎么让它洗完还是软的呢🤔️?

by 糖醋排骨

答:

其实不仅是袜子,很多含有棉纤维成分的织物例如毛巾在自然干燥后都会出现变硬的现象。导致这种现象的重要原因便是:附着在天然纤维素表面的束缚水层通过氢键作用使纤维间交联成网络。

图 1 天然纤维表面的束缚水层 | 图片源自 [1]

由于天然纤维素是由葡萄糖聚合形成的,分子结构中富含羟基,可以与水分子形成氢键形式的较强相互作用。于是,在 25°C 及 60% 相对湿度的条件下,棉花中还可以有高达 8% 的含水量。换言之,就是正常晾晒的棉质袜子、毛巾等织物中其实是残存着束缚形式的水的。而这种水会将不同纤维间联结成网络,使得纤维间不容易相对滑动,在宏观上表现为变硬。

图 2 纤维素的结构式

实验表明,如果在真空中加热强行去除所有的水分,织物会重新变软,而这在现实生活中是很难做到的。

图 3 清洗方式与最终硬度对比 | 图片源自 [3]

然而两种操作可以改善这一问题。其一是清洗后进行甩干再晾晒,这应该有助于减少棉织物中的水分含量。而其二是添加柔顺剂,其主要成分是阳离子表面活性剂,被证明可以防止束缚水形成交联网络。

参考资料:

[1] Igarashi T, Hoshi M, Nakamura K, et al. Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by Atomic Force Microscopy and Atomic Force Microscopy–Infrared Spectroscopy[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2020, 124(7): 4196-4201.

[2] Salem K S, Barrios N, Jameel H, et al. Computational and experimental insights into the molecular architecture of water-cellulose networks[J]. Matter, 2023, 6(5): 1366-1381.

[3] Igarashi T, Morita N, Okamoto Y, et al. Elucidation of softening mechanism in rinse cycle fabric softeners. Part 1: Effect of hydrogen bonding[J]. Journal of surfactants and detergents, 2016, 19: 183-192.

by 云开叶落

Q4、为什么 C 的相对原子质量是 12.0096,以 ¹²C 的 ¹/₁₂作为标准,它不应该相对原子质量是 12 吗?按照在自然界中的丰度值计算,¹²C 占 98.892%,¹³C 占 1.108%,光是这两个加在一起就已经 12.01108 了更别说质量数更大的 ¹⁴C,但为什么网上搜索说算出来 12.0107 的相对原子质量,也不符合 2009 年 IUPAC 的结论 12.0096?

by 匿名

答:

这个问题也曾困扰过高一的我!(高二还困扰过镧系锕系某些元素的电子排布式为什么不完全遵守规则)

我们会发现元素周期表中绝大多数元素的相对原子质量都不是整数,这是因为它代表该元素各种同位素的平均原子量。

题主算出来的数值是把 ¹³C 的相对原子质量当作 13 来计算,但事实上并不是,考虑两方面的因素后,¹³C 和 ¹⁴C 的相对原子质量分别约为 13.003355 和 14.003241,提问里是早期的下限数值,对于微观粒子,由于测量误差,只能得到一个数值范围 (C) = [12.0096, 12.0116][1],随着科技进步,一些参数会更加接近真理。

质子质量和中子质量有很小的区别,一个是电子的 1836 倍,一个是 1839 倍,不能认为多了一个中子就是相对原子质量正好多了 1;另外,质子和中子结合时会释放核能,导致质量小于原先质子和中子各自质量的加和,称为“质量亏损”,这并不是质量真的少了,而是质量以能量的方式表现出来。需要注意的是,质量等价于能量,不能说质量转换为能量,这在质能方程中体现得十分明确。

参考资料:

[1]Prohaska, Thomas, Irrgeher, et al. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report)[J]. Pure and Applied Chemistry, vol. 94, no. 5, 2022, pp. 573-600. https://doi.org/10.1515/pac-2019-0603

by 草莓熊

Q5、为啥手机夏天耗电快?手机到底什么时候充电合适?

by wo 寒玉

答:

手机由各种硬件组件和软件应用程序组成的,并且硬件和软件应用均会消耗手机的电量。

在夏天,手机会由于环境温度升高加上使用导致手机升温,且不易散热,高温会导致电池内部的化学反应加速,手机电量较快消耗。夏日身处室外强烈的阳光下,一些手机设置也会加速耗电,如果你开启了自动亮度调节,那么手机会自动将屏幕亮度调高,此外,夏天里,一些更倾向于户外活动的人们使用的移动数据运行一些应用程序,以及更愿意待在室内的人们使用手机消磨时光使用 Wi-Fi 运行一些应用程序,等等这些手机操作会增加手机耗电量。

什么时候充电:

现在大部分手机电池使用的是锂电池,锂离子电池没有记忆效应,容量一般不会因为充电时的状态而发生变化,虽然手机电池维持在 30%-80% 之间确实可以减少电池损耗,但是帮助有限。因此在什么时候充电都是可以的。温度也是延长寿命和最大限度地延长电池寿命的关键因素,手机充电时,环境温度尽量保持在 16 到 22 摄氏度之间。当手机等设备长时间处在 35 摄氏度以上的环境中时,电池可能会出现永久损坏。

参考资料:

[1]Phone battery draining fast 7 reasons and how to fix them.(chargerpedia.com)

[2]Maximize battery life with these essential smartphone charging tips (androidauthority.com)

[3]What'sUp,Home?-Doesyourphonebatterydrainfasterinsummertime?-ZabbixBlog

[4] 舒健.手机未“老”电池先“衰”  充电习惯或是背后黑手 [J].大众用电,2021,36 (12):84.

[5]【何同学】快充伤电池?40 部手机两年实验,告诉你最佳充电方式_哔哩哔哩

by 扫地僧

Q6、为什么晚上在湖边散步时从湖上吹的风会带着一股热量?

by 匿名

答:

水的比热容大于陆地上沙土砖石的比热,能够储存的热量更多,升温慢,降温也慢,因此白天陆地气温高于湖面气温;夜晚湖面气温高于陆地气温 —— 这是写在中学地理书里的。

不同于课本中海陆风的例子,一般的湖面水体不够大,不能像海洋那样形成“高温区域气流上升 —— 低温区域的气体流向高温区 —— 在气压差作用下产生循环”的环流。夜晚,从湖岸吹向湖心的风在湖面上方受热,还没来得及上升就吹到了另一边。这时这些气体已经比湖岸边本身的空气要热了,所以人感受到的就是湖面吹来了热风。

by 井筠

Q7、气态行星就是一大坨气体吗?

by 匿名

答:

不是的捏,气态行星的最外层确实是由气体组成,但在其内部还是有着液态和固态物质的。

气态行星主要由氢、氦、氖等轻元素所组成,在行星的最外层是对应的气体,如氢气、氦气等。但厚达上万千米的气体层会在气态行星的内部产生极大的气压(200GPa,约合 2000000 倍的地球标准大气压),在压力的作用下气体会被压缩为超临界流体,以金属氢海洋的形式存在。在气态行星的内部,还可能存在着由冰和岩石组成的固态内核。但由于人类目前的探测器无法对气态行星内部进行探测,因此其内部结构还没有得到确定,更多的只是目前研究领域的共识。

木星和土星的内部结构示意图 —— 来源 NASA

太阳系气态行星内部结构示意图 —— 来源 NASA

从上图中我们可以看到,对于木星和土星来说其由外层的氢气层、内部的金属氢层和中心的岩石内核组成,而对天王星和海王星来说其由外层的氢气、氦气、甲烷层,内部由水、氨和甲烷构成的地幔层和中心的岩石内核组成。因此,气态行星也不完全是由气体组成的。

by 单身女青年

Q8、磁铁是导体还是绝缘体?

by 冷冷

答:

简单地说某种物质是绝缘体还是导体并不准确,因为随着温度变化物体有可能发生相变,比如各种绝缘-金属相变或金属-绝缘相变。这里我们只考虑常温下的情况。但许多不同类型的导体电阻率又在同一区间,所以我们还是给出全温区的电阻变化,但只关注常温。

常见磁铁包括铁氧体磁铁和钕磁铁。室温下的电阻率在量级,这落在了半导体区间。从电阻温度曲线也可以看出是一个半导体

Fe₃O₄的 log (ρ)-1 / T 曲线,两条曲线是组分略有差异的 Fe₃O₄[1]

的室温电阻也在,但 R-T 曲线展示出了半金属行为。

Nd₂Fe₁₄B 的电阻温度曲线 [2]

不必在意半导体和半金属究竟是什么,它们的定义需要把量子力学学个七七八八再学一门固体物理才能搞明白。知道至少在室温下,两种磁铁的导电性都介于导体和绝缘体之间就够了。

参考资料:

[1]VERWEY, E. Electronic Conduction of Magnetite (Fe3O4) and its Transition Point at Low Temperatures. Nature 144, 327–328 (1939). https://doi.org/10.1038/144327b0

[2]Alexander M. BOVDA, Vera A. BOVDA, Valerij V. DEREVYANKO, Vitaly A. FINKEL, Tatyana V. SUKHAREVA,Electrical and Magnetic Properties of Nd2Fe14B Magnet in Demagnetized and Magnetized States at Low Temperatures,Journal of Iron and Steel Research, International,13-1(2006),92-96.https://doi.org/10.1016/S1006-706X(08)60165-X

by 藏痴

Q9、核磁共振的原理是什么?

by 匿名

答:

理解这件事需要明白三点:原子核有磁矩、磁矩在外磁场下会发生塞曼能级分裂、两个能级可以与相应频率的电磁波发生共振。

原子核有磁矩,形象地说就是有些原子核像一个个条形磁铁,会在外磁场作用下发生偏转。这些原子核的质子数和中子数不能都为偶数,比如 ¹²C 和 ¹⁶O,因为它们的基态自旋为零,没有磁矩。我们能使用的原子核应该具有非零的角动量,这样才有非零的磁矩,常用的原子核有 ¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F 和 ³¹P 等等。

现在对这些有磁矩的原子核施加一个外磁场,在一通计算后,会发现不同磁矩指向的原子核分裂出了不同的能级,能级差,也就是对于同种核素,它分裂出的能级差正比于外加磁场。这被称为核的塞曼效应。

有了分裂的能级,自然就可以在两个能级间跃迁。对这个在外磁场中的原子再加一个电磁波,当电磁波的频率与塞曼能级差相当时,就会发生共振。实验上可以通过施加一段时间的电磁波再撤掉,观察样品的横向磁化率信号来判断是否发生了共振。

一个简易的核磁共振装置图,其中 1 和 2 用来产生 50Hz 的扫描外磁场,4 用来产生射频电磁波

这个效应可以用来检测元素所处的化学环境,因为不同的化学环境会对外磁场产生不同的屏蔽,使原子实际感受到的磁场不等于外磁场。如果施加的电磁波频率恒定,那么达到共振条件所需要的外磁场强度就要发生偏移。这种偏移就像化学基团的名片,是一一对应的。对于 ¹H,大家一般取四甲基硅(TMS)的共振磁场强度为标准,扫出样品共振时的磁场强度相比它偏移了多少,就能知道这个样品里的 ¹H 处在什么基团里。

甲醇的核磁共振氢谱,横坐标是化学位移,从中可以看出甲醇有两种 H

现代医学中对 ¹H 的核磁共振已经成为一种很有效的成像手段。虽然不少人会闻“核”色变,但其实核磁共振所需要的仅是射频电磁波,它的频率比通讯用的微波还低,相比 X 光或者 CT,它换算下来的辐射量是很安全的。当然,从核磁共振信号到图像又涉及到另亿些图像信号处理的故事,大致说来,就是利用梯度磁场获得不同空间频率的信号,再用反傅里叶变换算回实际图像。这一造福全人类的发明也被授予了 2003 年诺贝尔生理学或医学奖。

参考资料:

[1] 杨福家.原子物理学.第 4 版 [M].高等教育出版社,2008.

[2]【老奇】核磁共振为何知道-哔哩哔哩

by 牧羊

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:Frions

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关键词:科普问答

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