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一壶 100℃ 的开水从多高倒进嘴里不会觉得烫?

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发表于 2019-6-14 02:11:20 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 中国
先说结论:大约50米左右。 . Y6 v" b4 Z, F8 _9 |" X, W
水从高空落下,先倒的水快,后倒的水慢,所以必然很快撕裂,成为细小的水滴。
7 F$ }# l, p+ \: _( G4 X
8 U$ \: E- L4 }5 O- L: o, U因此,这里就只讨论水滴的散热问题,而不考虑一大团水的散热。因为这种情况更为常见,计算也更为简单。
# ^% m  j, h9 Z' o8 }: @. C3 c
2 D% w* N; X7 C" n) ~! k) A本着物理学「真空中球形鸡」的思维方式,这里考虑球形小水滴。由于水滴在高速下落,所以其周围空气 的温度,其实可以视为不受水滴影响。这种近似有其物理根据——在低温物理中,人们常常用低温流体为 物体降温、保持温度,可以使物体温度的浮动降到很低。 ; u" S! E. L4 f& ^, _$ K$ L

8 O$ [) c% ^; k8 E) H4 o又为了更进一步的简化,这里将水滴视为两层——内层和外层:
. t7 ~4 l7 e8 Y& v) M% E  `/ }3 ^  e9 |0 ?

: i; x- E4 p( h9 G5 p# V,而外层的半径为。由于内层很小,所以假设温度均匀。而外层之中的传热,则视作近稳恒传热,符合能量输入、输出相等的原则。这个假设当然不严格符合实际,但可以保持数学上的简洁。最终的结果,也不会与真实数值相差甚远。 所以,这里外层的温度符合这样的形式: 3 V' D& E/ ?9 H4 A, h9 Q7 Q2 C. y

6 k& }) M) X2 R3 [' B
5 A( ^8 e  q, q  K0 b其图像是这样的:
* U0 g4 J+ y- L( u7 j4 e% l6 c- h8 [! y0 [
真实的温度分布当然不是这样,这里做了近似。但偏差不会很大。后面我们会看到,内层的大小,对于结果影响不大。 0 E1 r+ V! \7 ~+ X8 H
通过上式,容易求的内层散热的速率:
  v3 I( A% @. Q- y/ L& @
3 L0 l0 I6 M' p% |5 z! D据此,可以得到内层温度随时间变化的函数:
* F3 c# b8 f& p0 L1 j& ^# r+ z# M7 z6 U( l) @' D5 _
其中,即开水温度,为100摄氏度,为空气温度,这里设定为20摄氏度。c是水的比热,k是水的热导率,是水的密度。如此,即可绘制水滴核心温度随时间变化的图像:
+ Z0 V8 e! j% S. L! z  J3 N1 B" E4 W2 S: s& V2 E
可以看到,如果水滴半径为3mm,那么,不过五六秒,水滴的核心温度就已经可以入口了。到了十秒,温度就接近空气了。而且,不论选取核心半径是多少,其曲线的差别都不太大。这里可以认为,安全时间大约是5秒。 # V) t, U/ w, e* S( E2 w
水滴下落时,由于空气阻力的影响,其最终速度,大约在9~13m/s之间。这里为了简单,取10m/s。而雨滴要加速到这一速度,只要1秒。
) h9 ?$ z5 Y) |% ?取安全时间来计算水滴的高度,得到的高度是50米。也就是说,大约五十米的高度,就足以让开水冷却到 安全的温度了。
- o' w& x' g/ j- w& x8 i" v! J编辑:井上菌' Q+ Z; |' C) ~! q% i' h

8 ^& w# g$ i. X
+ {# R, Y+ F. u( |% d来源:http://www.yidianzixun.com/article/0MG8ALuZ$ y7 u& I3 H! |$ `& S
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