题主问了个非常有深度的问题。
事实上,这个课题我国劳动人民已经探索上千年了。
不知道有没有人观察过,几乎所有茶馆,不论天南地北,斟茶统一是这个手法:
蛱蝶穿花,若即若离,即所谓蜻蜓点水。
这个手法非常考功力,一不小心就把客人裤裆烫了,
早年见识过有些伙计功夫了得,隔了两桌随手一扬茶壶,开水飞过两人头顶,画个抛物线钻进茶杯,滴水不漏。
为什么倒茶都要这样拉开距离呢,说来话长,
传闻从茶叶诞生那一刻起,就有一条人尽皆知的铁律:泡茶须用开水。
没烧开的水还被赋予一些恶毒的诅咒,什么哑水,憨水之类的。
但是许多年后,有人在茶艺摸索中,发现了一个惊天秘密——
原来开水泡的茶并不是最好喝的!
稍微温一点的口感更好!
这怎么办,老祖宗话都放出去了,规矩不能破啊!
说好100度,就是100度!
少一度多一度都不行!
不然会被视为异端烧死的!
进退两难之际,不知道是谁灵光一现,发明了这个蜻蜓点水,
开水在空气中降了些温度。
不仅让茶变得更好喝,斟茶的动作还更美观优雅,
两全其美有没有!
千余年后,茶叶传入欧洲,有一个罗伯特·布朗的英国人也察觉了这个秘密,他小心翼翼地记录了下来,
但可惜,英国人资质愚钝,没学会蜻蜓点水。
倒是阴差阳错地发现了分子运动和温度有关,
1905年,另一位科学家进一步完善了这个理论,并把它叫做“布朗运动”。
这位就是爱因斯坦。
由此,拉开了现代物理,甚至整个现代科学发展的序幕。
这是后话不提。
再说回中国,继发明蜻蜓点水之后,又有人发现了更多的秘密!
原来不同的茶需要的温度不一样,倒水需要拉开的距离也不一样。
怎么办?
那就分家吧!
于是,不同的茶有了不同的手法,
有的提很高,讲究茶壶过肩,过头什么的,有的则直接往杯里灌。
只有四川的茶馆师傅提着茶壶欲哭无泪:
“龟儿子,你们说绿茶要泡七十多度的水才好,这么大温差,难道要老子爬房顶去倒下来麦?”
要说劳动人民的智慧是无穷的。
既然空气散热不够,就只有从材料学下手了。
于是,四川茶馆有了长嘴壶:
这才是真正的石破天惊,不亚于四大发明的壮举,古代的铜管散热有没有!
或许普通人还不知道其中的非凡意义。
话说,第三次技术革命自上个世纪五十年代开始以来,原子能,航天,新材料等等,都在二三十年内得到巨大发展。
然而,至关重要的计算机技术却一直停滞不前,原因就是处理器散热不佳,没有找到合适的冷却办法,
直到七十年代,一位美国人在喝茶的时候,注意到了茶壶上的管子,进而发表了著名的“热管原理”。
顺利解决了那个世纪难题。
轰轰烈烈的计算机革命终于开始了。
时至今日,铜管散热依然是我们电脑上的主流配置。
而现在,茶馆师傅又有了新的突破:
不知道这套手法又蕴含着什么样的奥秘。
我认为高票答案考虑非常不周全。
水从空气中下落,势必要受到空气阻力。
即使不考虑蒸发,水下落所受阻力也该为F=kv^2。其中K正比于水滴表面积。
水在自由落体一段时间后,速度必然会逼近常值匀速下落,比如下雨。
倒水速度应该和下雨差不多,不可能和自由落体一样40秒就2万米。
此外,不同高度温度显然不同,大约满足,T=T地-3h/500
因此传热公式中的T不可能是常值。
所以联立以下方程组:
a=g-kv^2
a=dv/dt
a=d^2X/dt^2
解微分方程,可以解得下落位移X和时间t的关系。
求得位移X和时间t的关系后,再建立方程组:
h=h0-X
显然可以根据T=T地-3h/500解得温度T与时间t的关系T(t)
根据高票所提供的传热学公式。t=rouVc/hA(lnT0-lnT)
把T(t)带入,即可求得时间t。
这个方程不是代数方程,显然只能用计算机迭代求解。
好了。具体计算方法已经告诉大家了,大家自己带入数值去计算吧。
凡事要一步一步来。
首先你要解决37度的水喝起来觉得凉这个问题。
其次你要解决这个滴水不漏问题。
基于以上数据,你可以一度一度往上加。
先说结论:大约50米左右。
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。
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。
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。
又为了更进一步的简化,这里将水滴视为两层——内层和外层:
内层的半径为 ,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:
其图像是这样的:
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。
通过上式,容易求的内层散热的速率:
据此,可以得到内层温度随时间变化的函数:
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:
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。
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。
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。
文章/回答精选集:
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Bilibili: 复杂鱼塘
做了实验,先说结论:现实的答案是1米高度就能小口喝不烫嘴,1.5米就能大口大口喝完全不觉得烫,2米就有点凉了(补充说明:水流要做到尽可能的小。这点很关键)
这个问题是从实际得来的,如果上升到理论高度的时候假设水球直径10cm,不会散开,这还如何落地如何产业化呢?关键是,我要怎么喝呢?(一个直径10厘米的水球以几十米每秒的速度砸你脸上让你喝?人家题主只是想喝口温水而已,,)
题主只假设水始终凝成一股,其他的没限制,在现实中不增加其他手段的话这个假设与实际差别很大,而水流散开成水珠又是散热的关键。如果这个假设只是为了方便分析的话,我们可以先忽略假设,看看实际效果怎么样
实验:
实验过程图:
1m的:
1.5m的:
实验环境:北京室温19°C
实验分析:
没有温度计,测不了具体温度,仅凭口感:
1m落下的水还有点小烫,虽然能喝不烫嘴,但对胃不好。1.5m落下的水喝起来完全没有烫的感觉,非常舒服(就是我们需要多喝的温水。。)。还试了个2m的,感觉水有点凉了(应该和体温差不多),站在椅子上往下倒,太高不好拍照
影响最后水温的两个关键因素:高度和水流粗细,在高度达到自己身高之后,可通过尽量减小水流粗细降低水温
(补充:实验说明了一两米的高度就能让水温大大下降(几十度)至至少接近能喝,但也只是粗略估计了多高能达到不烫嘴的程度,误差还是比较大的。具体水温下降多少跟水流粗细、空气温度、湿度、风速还有一些随机因素的影响,而且不烫嘴也是一个比较主观的概念。想要喝水的话可以让水流细一点、在更高的地方倒、室温低一点、风速大一点......这些都是能降低最后水温的办法)
(当时的实验用铁盆接水吸收了一点热量、每次倒水前没有把水重新烧开,这些会对最后水温有一点影响,但影响不大,水温会大大下降至至少接近能喝这个结论是不变的)
设计快速开水冷却器:
分析完做完实验当然要考虑如何落地产业化了,设计快速开水冷却器如下图所示:
漏斗挂在墙上,越细越好,高度1.4m,抬起手刚好能把开水倒进去,想喝凉水就重复个两三次,因为空气在水表面快速流过可以吸走热量,能让水温降到空气温度以下
以后每天都能喝刚烧好的温水了✌️
*******,*****......(评论区你们在说啥我什么都不知道啊我没有修改这句话啊)
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经过实践,给大家分享一个快速冷却的方法(我平时喝温水就是这么做的,简单,高效,并且像个正常人一样)
方法:把开水倒进铁盆里,铁盆在凉水中放一会儿就能喝了,多摇一摇铁盆可以加速冷却。
实验:录了个视频,是用刚烧开的水测试的,倒出的水量足够一次喝个够了,大约在视频的一分半的时候就已经是有点凉的温开水了。凉水水温估计在十度左右。这个大家可以很容易尝试,倒点凉水到脸盆里,拿个铁碗铁盆装上热水放上去,完成后还多了一脸盆的温水可以洗手洗脸什么的。
视频:
100度水快速冷却至能喝的温开水 https://www.zhihu.com/video/1192598379543519232