汉堡包的小面包能挽救管道免于冻结吗?
1433字
2021-02-22 11:22
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火星译客

水在结冰的时候会膨胀,这对管道会很受损的。隔绝温度(任何隔绝材料)总比没有好。

德州的天气状况是一场可怕的灾难。寒冷的气温,又还停电,意味着许多人被困没有暖气在家里。最重要的是,德克萨斯州的大多数房屋和建筑并不是根据长时间零度以下的温度而设计的。这就会出现了很多水管被冻坏、破裂的情况。这可就不妙了。

但每个人都会尝试用他们现有的东西来解决问题。你可能已经看到了这张在Twitter上流传的照片,数据和社会科学家Rumman Chowdhury在休斯敦郊区的一家快餐店外拍下了这张照片,一些聪明的人显然试图用一堆汉堡面包来隔绝管道。

我们打电话给这家店的经理,他说他们什么都不知道。所以在没有任何情报的情况下,我们想知道, 这真的有用吗?为什么水管会在寒冷的天气里爆裂呢?让我们开始研究吧。

冷冻水很奇怪

我们生活在一个水(H2O)的世界里。水有的是气体(水蒸气),有的是液体(那种湿的东西),有的是固体(冰)。但水很奇怪。它有一些其他物质所没有的特性--它作为液体的密度比作为固体的密度大。

但是,水变成冰的时候并不只是浮在水面上,它结冰的时候会体积膨胀。它必须膨胀。如果你有1克的液态水,变成1克密度较低的冰,它就必须占据更多的体积。液态水在变成冰时它的体积膨胀是如此强大,它可以打破容器。如果你不小心把一整瓶水留在冰箱里,你可能见过这种情况,它也可能破坏诸如钢之类的金属。

这是我在实验室里找到的一个以前的物理演示。它被称为冰弹,不是因为它是冰做的,而是因为冰能让它爆炸。看看吧

这是一个小钢容器,上面有一个螺丝螺母。你把它装满水(不留空隙),然后把它冷冻。当里面的液态水变成冰的时候,压力能大到足以打破钢容器。我总是在想这有多厉害,因为你是通过降低热能而不是增加热能来让东西爆炸。

所以,想象一下,这个钢制容器就是你家的水管(除非你收集雨水或用氢气和氧气制水,否则你只可能有一个)。如果天气太冷,水就会结冰,真的会让你家水管爆裂。那很糟糕。现在是一些问题和答案。

为什么这种情况在南方不常见?

南方住宅用水管道几乎都在地下,这是件好事。虽然空气温度从夏天到冬天可能会有很大的变化,但地面温度却更很稳定。在南方各州,这种地面温度不太可能低于零度,因此管道中的水温度也会高于零度(并保持液态)。

但也有一些例外情况。在一些气候温暖的地方,并不是所有的水管系统的部分都会在地下,会穿过空气的区域。嘿嘿,我家阁楼上就有水管,我住的地方比较暖和)。虽然冷水(比方说1摄氏度)和暖冰(0摄氏度)之间的温差很小,但却存在巨大的能量差异。水从固相变成液态需要相当大的能量。我们称之为相变潜热。对于水来说,这个数值是344焦耳/克。这可能很难理解,那么举个例子说明如何?

假设你有一升冰(质量约为1,000克),如果你想把0摄氏度的冰变成1摄氏度的水,需要344,000焦耳的能量(再加上一点点提高水温的能量)。那是多少能量呢?好吧,假设你有一部智能手机,电池容量为3000毫安时(毫安时)。这相当于41,000焦耳。因此,它可能有足够的能量来运行你的手机一整天,但你需要八到九部这样的手机能量来融化这些冰冰。

这其实是件好事。这就说明你可以用融化的冰块来冷却你的饮料,而你实际上并不需要那么多冰块。这也意味着,你需要从你的管道中去除相当多的热能,才能让它们结冰。一个寒冷的夜晚可能不足以让你家的管道爆裂。

水龙头一直开着,是否有用?

有用,很好,想象一下你在水管里面。(是的,你现在超级小。)如果水是静止的,你可能会卡在暴露在冷空气中的管道部分。你可能真的会被冻住,然后你就得把管子弄断。但现在假设它是自来水,由水龙头造成的,微微滴水。你仍然是管道内的一个小人,但现在你也在移动。你经过那段冰冷的管道,你会变冷,但你不会被冻住。也就是说,你只需继续移动到空间的其他部分就行。

哦,但是更多的水从主要的地下管道进入到管道的寒冷部分。它会冻结吗?不太可能。记住,水管的温度是在地温下,几乎可以肯定不会低于冰点。所以,进来的水不是很冷,希望它不会结冰。

隔绝有用吗?

隔绝有用。如果你在任何裸露的管道上包上一些泡沫隔温材料,它的作用就像你的冷却器或隔热饮料杯一样。隔绝层降低了能量通过热传递作用从热的东西转移到冷的东西的速度。如果你把一杯冷饮放在桌子上,桌子能量就会传递到饮料中,使饮料温度升高。而把饮料放在冷柜里,则会增加保温层,降低能量传递的速度,使饮料升温的时间更长。

对于管道周围的泡沫隔绝材料,水比空气温度高,因此会降低能量从水中转移的速度。请记住,如果你除去水里足够的热能,它就会从液态转变为固态,这就是糟糕的情况。所以,是的,隔绝那些管道。

可以使用汉堡小面包作为隔绝材料吗?

现在我们开始认真了。这就是你要找的答案,我会告诉你的。我想答案是肯定的。是的,在裸露的水管周围放上汉堡小面包,可以增加保温效果,减少水管冻结(和爆裂)的机会。

但这怎么能行呢?嗯,空气是绝对最好的绝缘体之一。它虽不如什么都没有(真空),但它仍然相当有效,而且比真空绝缘体更容易制作。事实上,这也是大多数绝缘体来源的想法。获取一些空气。你知道是什么让橡胶泡沫成为一个很好的隔绝材料吗?是的,空气。泡沫内部有微小的空气空间。那件漂亮的羊毛外套呢?羊毛衫能捕集空气,这使它成为一个很好的隔绝材料。甚至您的墙壁和阁楼上的玻璃纤维隔热材料实际上也只是捕集空气以使你的房屋隔绝温度。

那汉堡小面包呢?我不知道你是否仔细观察过小面包,但如果你仔细观察,你会看到空气。我的意思是,面包里面好像大部分都是空气,面团里面的那些小气泡让它在你烤的时候膨胀。所以,我猜测这些小面包可以作为管道的绝隔绝材料。绝对不会让管道情况变得更糟糕,所以值得一试。丢掉一堆小面包子,可能比修一个破损的水管还便宜。

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