暖气片为什么经常装在有窗户的一侧？| No.488

酷狗e族

在北方寒冷的冬天里

暖气片是最常见的取暖装置

那你知道为什么它经常被装在有窗的一侧吗？

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Q1 为什么太阳系行星的轨道都几乎共面？
Q2 为什么西安日出比深圳早半小时，但日落只晚了几分钟？
Q3 如何防止煮过的面条变成一坨？
Q4 为什么喝汤会感觉淡，喝水却不会？
Q5 暖气为什么经常装在靠窗的一侧？
Q6 为什么秋天落叶总是背面朝上？
Q7 太阳的轨迹为什么是类八字形的？
Q8 固态或气态水可以被电解成氢或氧吗？
Q9 什么是庞加莱回归？

Q1

为什么太阳系的行星的轨道几乎共面？这是巧合还是必然？

by 匿名

答：

太阳系八大行星的轨道几乎共面，最大倾角不超过 7°（水星），这一现象是太阳系演化过程中，角动量守恒等因素导致的自然结果。除太阳系以外，其他恒星系中的行星也大多是共面的。
太阳系起源于一团巨大的气体尘埃云，这片星云最初是球形的，具有一个微小的净角动量。在引力作用下，星云向中心坍缩。由于角动量守恒，坍缩中的星云旋转速度会不断加快，这与花样滑冰运动员收紧手臂后旋转加快是同一原理。
最终，大部分物质坍缩到星云中心，在极高的温度和压强下点燃核聚变，形成了太阳。在外围的赤道面上，离心力逐渐与引力平衡，物质不再进一步向中心坍缩；赤道面之外的物质则继续向赤道面“垂直坍缩”，最终形成一个围绕原始太阳旋转的原行星盘。
原行星盘是孕育行星的温床。八大行星都是由原行星盘中的气体和尘埃聚集而成的，所以它们“继承”了盘中物质的运动方向，在同一个轨道面上围绕太阳旋转。然而，行星形成之后，由于引力扰动甚至碰撞的影响，某些行星的轨道会发生一定的偏离，因此我们严谨地说八大行星的轨道“几乎”共面。
参考资料：

• 胡中为. 新编太阳系演化学[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 2014.
  

by 冰糕

Q.E.D.

Q2

为什么深圳比西安日出早约半个小时，日落却只晚了几分钟？

by 关山

答：

这是一个非常好的问题，能够提出这样的问题，说明你在生活中细心观察，并且充满好奇心。

这是西安的日出日落时间

这是深圳的日出日落时间

可以看到正如题设所述，深圳比西安日出早约半个小时，日落却只差几分钟。深圳的白天比西安长了约半个小时。
然而事实果真如此吗？上面两张图是11月1日的数据，我们不妨再来看看5月1日的数据。

西安、深圳

可以看到啊，这回是两地日出时间差不多，日落时间深圳比西安早约半个小时，算下来是深圳的白天比西安短了约半个小时。
深圳和西安的经度相差约5°，对应到地方时（注意不是北京时间）约差，排除掉这部分经度的影响，剩下的就是纬度不同带来的昼长不同的影响。
那么纬度不同为什么会昼长不同呢？这是由于地球存在的黄赤交角。黄赤交角是赤道平面（地球自转平面）与黄道平面（地球公转平面）所成夹角，约为23°26'。它的存在给地球带来了四季变化。

黄赤交角

黄赤交角带来四季变化

春分，太阳正午直射赤道，这一天全球昼夜等长；随后太阳直射点向北移动，北半球白昼变长，南半球白昼变短，直到夏至这一天，太阳直射点达到北回归线（北纬23°26'），这一天北半球白昼达到一年中最长，南半球白昼达到一年中最短；之后太阳直射点南移，北半球白昼开始变短，南半球变长，到了秋分这一天又是太阳正午直射赤道，全球昼夜等长；然后太阳直射点继续南移，在冬至达到南回归线（南纬23°26'），这一天北半球白昼在一年中最短，南半球白昼在一年中最长；接着又是太阳直射点向北移动回到春分，如此周而复始。
在这一过程中，春分到秋分这段时间里，全球都是越往北白昼越长，在北极圈（北纬66°34'）内部还会出现极昼（全天太阳不落下）现象，而南极圈（南纬66°34'）内部则会出现极夜（全天太阳不升起）；而秋分到来年春分这段时间则是反过来，越往南白昼越长。于是，我们就可以解释最开始的问题，为什么现在深圳白天时间比西安长了。
最后，如果假设地球为正球体且自转匀速，利用一些小学二年级数学我们可以算出，当太阳直射点纬度为时，纬度为的地区的白昼长度为（北纬取正，南纬取负，统一采用弧度制）：
（如果发现括号内的部分超出函数定义域范围了，那说明是极昼（括号内）或极夜（括号内）），有余力的小伙伴可以自行验证。
参考资料：

• 日出日落时间查询 - 国旗标准升降时间
  
• 人民教育出版社、课程教材研究所.普通高中教科书地理选择性必修1 自然地理基础[M].北京市:人民教育出版社，2020.06:4-13.
  

by 可去奇点

Q.E.D.

Q3

如何防止煮过的一会的面条变成一坨？

by 匿名

答：

防止面条结团的核心，在于处理面条表面的“游离淀粉”并构建“物理隔离层”。 简单来说，最有效的手段就是“过冷水”和“拌油”。
面条之所以会由“独立个体”抱成“一坨整体”，罪魁祸首是淀粉。在高温烹煮时，面条表层的淀粉颗粒吸水膨胀并发生糊化，部分直链淀粉会渗出，形成一层像胶水一样的高黏度浆液。只要两根面条彼此接触，随着温度降低和水分蒸发，这层天然胶水就会让它们死死粘连。
要打破这一过程，首选方案是过冷水。在沥干后迅速用冷水冲洗，目的不仅仅是降温，更是利用水流物理冲刷掉表层那些松散的游离淀粉，同时低温能让面条表层的面筋网络收缩，使其更加紧致光滑，大幅降低粘连的摩擦力。另一种必杀技是添加油脂。无论是淋油还是拌酱，其逻辑都是利用油的疏水性。油脂能在面条表面形成一层微米级的油膜，这层“隔离层”有效阻断了淀粉分子间的直接接触，防止了氢键的形成。炒面之所以根根分明，正是依赖于此。
餐饮行业通常采用“过冷水—甩干—拌油”的一条龙服务，就是为了最大限度降低表面糊化粘度并减少接触机会，让面条保持在不粘又不干的完美状态。
参考资料：

• Delcour, J. A., & Hoseney, R. C. (2010). Principles of Cereal Science and Technology. AACC International.
  

by 柠七

Q.E.D.

Q4

人喝汤的时候会感觉到比较淡，但是喝淡水却不会感觉到味道淡呢？

by 匿名

答：

人觉得淡汤“很淡”但白水不“淡”，是因为味蕾的工作方式不同。淡汤里有少量味道分子，味蕾能检测到，却不足以达到大脑对汤的预期强度，所以觉得“淡”。白水几乎没有能被味蕾识别的分子，于是被判断为“无味”，不会被归到“淡”这一类。
其本质是因为，判断‘有没有味道’和‘是什么味道’并不是同一种感受器完成的。味蕾里有的受体负责探测“有没有东西来刺激”，有的受体负责识别甜、咸、酸、苦、鲜的具体类型。大脑把这些信号综合起来，就形成了最终的味觉。

by 灵境

Q.E.D.

Q5

暖气为什么大多数都装在有窗户的一侧？

by 乔小鱼

答：

先说结论：这并非单纯为了节省空间，而是利用空气动力学原理，在最薄弱的环节进行“正面拦截”，以消除“冷风侵入”并优化热对流。
房间中最冷、热量损失最快的地方，往往不是墙体中央，而是窗户这一整块巨大的“热漏洞”。窗户的导热系数远高于实墙，冬季它会不断向外散热，导致贴近窗户的内层空气迅速冷却。根据物理学原理，冷空气密度大，会沿着玻璃和墙面下沉，形成一股肉眼不可见的“冷风”直奔地面，导致令人不适的“脚底发凉”现象。把暖气安装在窗下，正是为了在这个冷源产生影响之前将其阻断。暖气片加热周围空气，使其密度减小而上升。这就形成了一个完美的自然对流循环：上升的热气流与窗户下沉的冷气流迎头相撞，形成一道“热空气幕墙”。这道幕墙不仅把冷空气“顶回去”并加热卷入循环，还把温度梯度限制在窗边，避免了冷风在室内地板上蔓延。
此外，由于窗户的表面温度通常远低于室内墙面，人面对它时，人体与窗面之间的净辐射换热会明显增加，这种来自冷表面的‘辐射降温效应’，就是我们常说的冷辐射。暖气片安装在此处，能通过热辐射平衡这种温差，从源头上填补房间的“热量亏口”。
反之，如果暖气装在内墙，热空气需绕过整个房间才能抵达窗边，沿途效率降低，且无法阻止窗边的冷气下沉，容易造成室内温度分层（头热脚冷）。因此，窗下安装是热力学上的“最优解”。
参考资料：

• Cengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2014). Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications. McGraw-Hill Education.
  

by 柠七
Q.E.D.

Q6

请问为什么秋天柳叶飘落总是背面朝上呢？

by 游月边

答：

多数情况下是背面朝上，但实际情况要更为复杂。
“一年一度秋风劲，不似春光，胜似春光”。每到秋天，树下总是会堆起一层落叶，落叶的朝向是一个颇具趣味的问题。
柳叶的特点是质量轻，叶柄短小，且为阔叶（而非针叶），这就使它的下落迥然不同于自由落体，而要考虑空气的显著影响。理论上，树叶落地主要应该背面朝上，原因有三方面。

• 为了接受阳光，叶片正面集中了大部分的叶绿体，重量更重，在下落时倾向于朝下；
  
• 多数叶片并非是一个平面，而是背面凸起，如果落地后正面朝上，叶片边缘翘起容易被秋风吹起，背面朝上就如同一个倒扣的塑料碗，即使被吹动也不易被掀起；
  
• 背面朝上本身就是一个较为稳定的姿态。背面向上时，叶片的凹陷“兜住”了空气，使空气流速减慢压强增大，形成一个高压区，给叶片的下坠带来了较大的阻力。阻力带来的是较大的恢复力矩，这使叶片以一种近似于匀速的状态稳定下坠。跳伞时打开的降落伞呈现的就是这种类似倒碗的形状，因此它才能使运动员稳定下坠。“樱花花瓣飘落的速度，是每秒五厘米”，背后也是类似的原理。
  

但事情并非如此简单，叶片下落往往伴随着强劲的秋风，叶片最终的落地状态还要受到当时各种外部扰动的影响。即使在无风的地方，叶片下落时也会发生随机的翻滚，最终正背面向上的比例大致相等[1]。风速较高时，背面朝上的叶子居多。笔者随机调查了一棵柳树，它的落叶中背面朝上的大概占七成。但是落叶中正面朝上居多也是完全有可能的。
由以上分析可以看出，这个结论不仅适用于柳树，大多数阔叶落叶树种都符合这个规律。
参考资料：

• 李青为.树叶飘落，哪面朝上？【N】《 人民日报 》,2024-11-19（15）
  

by des

Q.E.D.

Q7

为什么太阳是这个轨迹呢?

by YNWA

答：

每天同一时间太阳在天空中的位置称为日行迹。在地球上记录的日行迹通常为一个北小南大的8字形，这主要是地轴倾斜与地球绕太阳的速度不恒定这两个因素共同导致的。 我们先从最简单的情形——在每天正午时的日行迹开始，分别考虑这两个效应的影响。 先假设地球绕太阳匀速圆周运动，换到地球的参考系中，太阳的轨迹（黄道）是一个与赤道面成夹角的圆。 同。

以春分时太阳的方位（即春分点）为起点，设太阳转过的角度为，则从地心指向太阳的方向矢量为，用赤经和赤纬表示为，令二者相等，可以得到：
若地球绕太阳匀速圆周运动，则随时间均匀变化，描出 - 图像如下图：

上北下南左东右西是因为看的是天上

为一个对称的8字形。
下面考虑地球绕太阳的椭圆运动，根据开普勒第二定律，地球离太阳越近，地球的速度越快。太阳在黄道上由西向东运动。因此地球在远日点附近（北半球夏季，太阳位于北边）时，速度慢于平均速度（即我们用来计时的速度），导致每天同一时间太阳的位置越来越向西移动；在近日点附近（北半球冬季，太阳位于南边）时，速度快于平均速度，导致每天同一时间太阳的位置越来越向东移动。
太阳在北边时，两种效应的运动方向相反，因此8字北半边较小；而在南边时，两种效应的运动方向相同，因此8字南半边较大。
在非正午的时候记录的日行迹会发生倾斜。上午时日行迹整体在天空的东边，所以向左倾斜，下午则向右倾斜。南半球的观测角度与北半球相反，所以所有方向均相反。
而视频中演示的是房檐的影子的轨迹，相比太阳在天空中的轨迹需要旋转180度，所以可以推断是在北半球记录的上午的日行迹。

by cmd

Q.E.D.

Q8

水在液态的情况下可以电解成氢和氧，那么水在固态的情况下可以电解成氢和氧吗？气态呢？

by 爱好科学的小学生

答：

好问题，通常来说电解冰（固态水）和水蒸气（气态水）是不可行的。冰是分子晶体，其中几乎不存在可自由移动的氢离子和氢氧根离子；纯净的水蒸气中也是由水分子构成，是良好的绝缘体。所以在一般情况固体和气态的水不能被电解。
但作为物理所的答主，我要多科普一点点：在特殊情况下固态水和气态水是可以被电解的。今年5月，清华大学伍晖教授团队合作报道了固态冰的直接电解现象，通过在冰中掺杂硫酸或氢氧化钾，使掺杂冰成为高效的固态电解质，从而实现冰的电解[1]。而在固体氧化物电解池（SOEC）中，在高温和外加电压下，以固体氧化物为电解质，可以实现气态水的电解。
参考资料：

• Deng, B. et al. Direct Ice Splitting into H2 and O2 Enabled by High Ionic Conductivity. J. Am. Chem. Soc. 147, 23519–23527 (2025).
  

by ThymolBlue

Q.E.D.

Q9

庞加莱回归是什么？

by 匿名

这是个数学问题，但这个数学问题牵涉到的物理问题意义更为深刻和重要。

庞加莱定理（Poincare's theorem），又称庞加莱回归定理、庞加莱复现定理。它描述了这样一个事实：（我知道你很烦，但为了科学我必须义无反顾地写在这里！）

对于一个概率空间上的保测同构和任意可测集E，若E内的任意一点，经过任意多次变换后都不回到E内，那么E的测度必然是0；如果有限次变换后E中的点回到E内，那么必然会无数次回到E内，否则E的测度也是0。

接下来给一个比较通俗的描述：

测度是什么？物体的数量、线的长度、曲面的面积、几何体体积、概率的大小，我们指明一套规则R，满足条件的任何集合C，判断C“是否可以测量”；对可以测量的集合，规则R也充当测量的“尺子”，可以计算出它的可测量的大小。这些度量集合性质的规则R就被抽象成“测度”：给集合分配一个非负的“量”，描述它有多大。

有这么一个变换，它把空间中的一堆点像橡皮泥一样揉来揉去。但它保证不管是哪一坨橡皮泥，揉过后总体积（测度）保持不变，我们称之为保测变换。庞加莱断言：对于空间里任意一坨橡皮泥E，要么这堆橡皮泥没有体积（测度为0）；要么在有限次内，E会被揉成原来的样子（虽然未必每一部分都能一一对应），而且只要揉的够多，E会无数次回到原来的样子。也就是说，要么无限次“回归”，要么不回归或者回归有限次，但是没有体积（测度为0）。

字数限制和背景限制，这里不能给出证明，数学能力充足且感兴趣的同学可以上网自查~

我们来重点关照一下物理问题：庞加莱定理和热力学第二定律的直接冲突。

乍一看，这跟热力学有什么关系呢?

热力学表明，系统的相空间（每个粒子的动量和位置组成的高维空间）是一个概率空间（数学意义上的），里面每个点都对应了系统的一个状态（确定了所有粒子的动量和位置，这一时刻的系统也就确定）；如果考虑系统能量守恒，那么能量相同的所有点在这个空间里就构成了一个连续可测的面（数学意义上的高维面）。最重要的是，热力学的刘维尔定理告诉我们：对于相空间内的所有可测集（有意义的物理系统），动力学的时间演化是保测同构。条件配齐，万事俱备，我们已经可以直接对任何热力学系统使用庞加莱定理。

好，我们取一个简单的系统：盒子里的气体，所有气体分子的参数合在一起，得到了高维相空间（显然可测）。然后我们取相空间里所有表示“气体分子全部在盒子右半部分”的点集E（可测且测度不为0），在E内取一个初始状态X，运用庞加莱复现定理，只要经过的时间演化次数够多（时间够长），X就会回到E内…………啊？

意思是，只要时间够久，盒子里的气体会回到右半边来？

庞加莱定理就是这样对热力学第二定律提出了挑战：热力学第二定律指出所有涉及热力学的自然过程都是不可逆的。但数学上看，几乎没有物理系统是不可逆的：任何一种初始状态都会无限次回归，只有那些“恶意构造”的系统（测度为0）的系统才可能不回归——现实中基本不存在。

对于这个矛盾，物理学给出了它的缓兵之计：“时间够久”是多久呢？哪怕是盒子里那点气体，庞加莱复现的时间也远超出现今估测的宇宙的年龄。热力学第二定律确实是统计意义上的，但这个终极的统计已经超越了时间边界。

by 竹铭

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编辑：凉渐

taq

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