都说水是自然界里特别的存在水有一个神奇的性质会在4℃以下发生反常膨胀往期问答我们已经给出了热缩冷胀的解释今天我们来解释反常温度为什么是4℃
Q1
泡腾片遇到水为什么会变成气体？泡腾片里面的维生素是气体吗？
by匿名
答：泡腾片由主药、泡腾崩解剂、粘合剂和其他辅料组成。泡腾片放入水中后，与水作用生成二氧化碳气体产生大量气泡，犹如沸腾，故名“泡腾”。泡腾片能产生大量气泡是因为里面含有泡腾崩解剂。别听这个名字这么高大上，其实就是碳酸盐或者碳酸氢盐与有机酸的混合物，比如枸橼酸和，酒石酸和，柠檬酸和。以柠檬酸和为例，它们遇水之后，会发生需要注意的是，泡腾片不能直接吞服，因为泡腾片与水作用后，会产生大量二氧化碳，如果直接将其放入口中，二氧化碳急剧充斥气道，极有可能导致窒息。by重光Q.E.R.
Q2
常温下水为什么会干掉，水的沸点不是摄氏度吗？
by匿名
答：伟大的物理学家费恩曼说过一句非常经典的话：如果我们需要选出在几千年的物理学研究中最重要的成果以流传后世，大概就是“所有物质都是由微观粒子组成的，所有的微观粒子都在做永不停息的随机运动”。这句话就提供了这个问题的完美解释。无论温度有没有达到沸点（低于1个标准大气压时，水的沸点低于℃），水分子们都会永不停息地做随机的热运动。每时每刻，总有一些靠近液面的水分子，跑向了空气，它们中的一部分可以挣脱液面的束缚（水分子之间的引力）跑向空气，而他们中的大部分，在跑向空气后，就不会回到液体内部来了。这就是为什么蒸发可以发生在任意温度。如果空气中的水蒸气饱和，那么每时每刻不仅有跑出去的水分子，也有空气中游荡的水分子偶尔撞向了液体，它们让水变多了（液化/凝结）。我们所看到的名为“蒸发”的宏观现象实际上是这两种效应竞争的结果。所以，一杯静置在空气中的水，只要空气中的水蒸气不饱和，那么就会因为跑出去的分子多而跑回来的分子少而慢慢变少。注意，此时这个过程只发生在液面处。而在液体的温度达到沸点的时候，这个气体-液体转变的过程，会发生在液体中的任何一处，这也就是为什么沸腾的时候，水干得快得多。byLunaQ.E.R.
Q3
水在4度以下热缩冷胀，为什么是4度呢？
by小可乐
答：这个事情需要从冰谈起，在一个标准大气压下（下同），0℃时，水这种物质有3种形态：冰、冰水混合物、液态水，给0℃的冰持续提供能量，可以变为0℃的冰水混合物，并最终变为0℃的水，如果继续提供能量，水的温度会升高。此外，水分子之间相互存在着一种叫做“氢键”的相互作用，它具有方向性，使得水分子的排列具有一定的距离和相对方位。当水结成冰以后，水分子之间相互以氢键相连，形成冰晶格。由于氢键具有方向性，水分子之间排列地很“规矩”，就像大家体育课的热身操一样，需要保持至少两臂的距离，否则做热身操会打到对方，相互之间有着很大的空隙（如下图），导致了（相同质量）冰的体积更大。
冰的熔化热为6.02kJ/mol[1]，氢键的键能（即断裂1mol氢键所需要的能量）为18.8kJ/mol[2]，断裂冰中氢键所需要的能量是熔化冰所需能量的3倍还多，说明0℃的水中存在大量的氢键。这些氢键使得水分子抱团，但是各个集团之间可以相互跑动，类似热身操结束，大家开始小组游戏，小组内依然保持合适的距离，但不同小组玩的游戏不同，小组之间没有距离限制，可以离的近一些，于是体积缩小。继续注入能量，水开始升温，抱团的水分子之间的氢键也开始断裂，就像分为更小的小组，于是体积进一步减小。但是温度升高，水分子的热运动也加剧，类似天气很热，大家不想扎堆，这种因素带来体积的增大。热运动加剧和氢键进一步断裂两种影响相互竞争，在4℃时候两种影响达到平衡：4℃以下，氢键影响更大，热缩冷胀；4℃以上，热运动影响更大，热胀冷缩。数据来源：[1]：MolarHeatofFusion[2]：人教版，高中化学选修3课本，P49by金鱼JQ.E.R.
Q4
如果人透过玻璃窗“晒”太阳会被晒黑吗？
byDX的蓝星
答：玻璃在被发明的时候，人们看重的特点是“透光性好”，这里的光指的是可见光波段。一个非常直接的推论是，比较“近可见光”的紫外线，一定是拥有良好透过率的（UV-A:波长~nm的紫外线）。实验数据表明，对于“比较远离可见光”的紫外线，也需要分类讨论。除了UV-A，还有UV-B（波长～nm）和UV-C（波长～nm）。其中，UV-C会几乎完全被大气窗口（臭氧层）所吸收，所以它们基本不会产生把人晒黑的风险。UV-B也可以引起晒伤，但是UV-B在普通玻璃的透过率很低，基本都被吸收掉了，所以在玻璃下被晒，是比被直晒好一点的（因为直晒过滤不掉UV-B）。但是UV-A在玻璃中拥有相当高的透过率（约75%），这部分的紫外线会引起晒伤/晒黑。不过，存在一些特殊的镀膜/处理工艺，可以制造出对UV-A也具有相对高的吸收率的玻璃，比如汽车的挡风玻璃/日常生活中使用的墨镜，都可以一定程度上削弱UV-A的危害。所以，这个问题结论是，一般的玻璃，虽然可以缓解晒伤，但是却无法完全避免晒伤。只有使用了防紫外线工艺的玻璃，才可以基本消除晒伤的风险。参考资料：DoesGlassBlockUVLightorCanYouGetaSunburn?DoessolarUVpenetratewindowglass?WhatpercentageofUVlightisblockedoutbyglass?byLunaQ.E.R.
Q5
火箭，飞船这些所用的是什么燃料？
by匿名
答：火箭、导弹等的“燃料”分为两部分：燃烧剂和氧化剂，它们的关系就像蜡烛和空气，缺一不可。应用相对较广的燃料可以分为两类：燃烧剂和氧化剂全部是固体或者全部是液体。最开始时候，人们使用火药来推进火箭，但是火药的燃烧很难控制，效果不够好。后来到了年，戈达德成功发射了世界上第一个液体燃料火箭（液氧+汽油）。二战时，德国开发了V2火箭（同时也是弹道导弹），使用液氧+酒精燃料。使用液氧这些低温物质有一个缺点，不可以把存贮箱完全封闭，否则温度升高，液态物质蒸发会带来压力过大炸破存贮箱的危险。而不完全封闭会带来燃料的泄露，只能在发射前夕进行加注燃料，这对于随时可能发射的军事用途而言是很难接受的，这也是第二代洲际导弹改用固体燃料的原因之一。相比之下，肼、一甲基肼、偏二甲肼、混肼作为燃料在常温下稳定，相应的氧化剂使用硝酸或者四氧化二氮（在高中化学题中经常见到这个反应有木有？）四氧化二氮分解后的二氧化氮呈红棕色，因此发射时候会排这个颜色“尾气”：
肼、偏二甲肼等有剧毒，相比之下，液氧+煤油组合就“干净”很多，我国拥有自主知识产权的YF-就是液氧煤油发动机。液氢+液氧组合性能强劲且无污染，是目前唯一比冲超过的燃料组合，我国的重型运载火箭“胖五”——长征五号主发动机使用的就是液氢液氧。此外，氟氧化性比氧更强，理论上液氢液氟性能更强劲，但由于氟和氟化物的安全问题，最终搁浅了。相比之下，固体燃料可以长时间保存，对碰撞振荡的容忍度更高，因此军用更多一些，使用较多的固体燃料有：硼氢化钠、二聚酸二异氰酸酯、二茂铁，以及一些密度小的金属和非金属，如 锂、铍、镁、铝、硼等，将它们制成微粒扩大表面积来加速燃烧。此外还有固液结合的燃料，如液氧+固态烃、液氧+聚乙烯等。by金鱼JQ.E.R.
Q6
进入机场第一步的防爆检查（不是安检），为啥要拿个“小纸条”在身上蹭一下？为什么蹭一下，然后圈住大家等一会，就能达到检查的目的？by匿名
答：一般情况下，如果接触过爆炸物，通常会在人身上残留痕量的爆炸物颗粒，安检人员拿“小纸条”在身上蹭其实是在用试纸擦拭你的衣服或行李，在擦拭取样过程中，如果身上有爆炸物颗粒就会被试纸采集到，然后安检人员将试纸放入探测器中就可以判断被测人员是否接触过爆炸物或其他危险物品了。除了擦拭取样外，也可以进行吸气取样，这两种取样方式的检测原理是一样的。这种痕量爆炸物探测技术有能力检测和识别低浓度的气体，即模拟犬类的能力，所以也被称作电子鼻。而在探测器内部的具体探测技术分为很多种类，以较为成熟的离子迁移谱技术为例，这种方法主要是利用在一定条件下，样品气体分子被离子化后，不同的离子通过电场的漂移时间各不相同，根据漂移时间的测量来间接达到对样品的分离和检测，从而判断被检人员是否接触过爆炸物。至于把大家圈住等一会儿可能是为了让大家身上可能附着或游离的爆炸物颗粒聚集起来然后再进行探测。by懒懒的下午三点半Q.E.R.
Q7
干电池能充电吗？
by匿名
答：现在所用的干电池一般是碱性锌锰干电池。
左边是氯化铵型的中性锌锰电池，右边是碱性锌锰电池碱性锌锰电池内部发生的反应如下正极：负极：总反应：知道了这些就可以来回答干电池能不能充电的问题。简单地说，给电池充电就是让电池中放电时发生的反应反向进行。给碱性锌锰电池充电并不能让放电时发生的反应完全反向进行，这期间会有副反应发生，比如发生电解水的反应，这就有可能使电池内部压力过大而破裂。当然，也有人尝试用小电流给碱性锌锰电池充电，也能充进去，但是不推荐这么做，容易发生事故。by重光Q.E.R.
Q8
动量守恒在非惯性系下是否成立
by匿名
答：高中教辅都说只在惯性系下成立，但是课本选修3-5讲反冲的时候，有个火箭速度增加多少的例子，采用的是火箭有参考系，那不是非惯性系么？在非惯性系中，由于无施力物体的各种惯性力的出现，一个孤立系统的动量并不是恒定的。但课本中为什么可以对火箭分析采用动量守恒定律呢？那是因为课本中进行分析采用的并不是火箭参考系，而是相对于火箭瞬时静止的惯性参考系。在这个参考系中，火箭初始状态静止，后来喷射出燃料获得速度，同样满足动量守恒定律。by书蠹诗魔Q.E.R.
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#本期答题团队
物理所：重光、Luna、金鱼J、懒懒的下午三点半清华大学：书蠹诗魔
#上期也精彩
为什么雪糕这么软，冰块却这么硬？
No.
编辑：他和猫
