杯子中的水就是倒不干净?
引子:
要是在大学里一不小心学了化学(每天埋头刷一堆烧杯),或者不小心在酒吧里打起了工(少不得料理那些高脚杯),一定会对这个问题颇有体会:洗干净的杯子怎么甩,杯壁上永远挂着水珠。想到堆成山的杯子,Dr. Who擦擦汗,幸好自己既没研究化学,也没在酒吧打工。不过生活里也遇到过这个问题。
问:为什么杯子里面的水总也倒不干净。
“擦擦嘴”的热闹答案
水的黏附,有分子间相互作用(范德华力)的影响,还要看分子或者原子之间相互接触的电子云的“人际关系”好不好。一个东西内部抱得紧紧的,遇上别的东西却可能排斥,或者见色忘友抢着去黏乎,何以见得?有诗为证:
兄弟连心抱成堆,踩屎都说呸呸呸。
小蜜一个都想泡,分庭抗礼拳头挥。
烂泥无心睡软床,愿做你的松糕鞋。
夫妻本是同林鸟,大款临头各自飞。
猫咪蹭痒嗲噜噜,半夜爬墙偷乌龟。
忠诚家犬不自逛,跟屁做虫满心扉。
狗狗:“喂!说什么呢你!”
我:(溜烟)
摸摸肚皮,笑够了,思路大通,转严肃了。
这个问题可以简化成两个相对独立的小问题:
1.绝大部分杯子里的液体是否会流出来?
2.残留的小液珠最终是否可以流下来?
首先,让我们来考虑前面这个简单点的问题。先确定一个隔离对象— —这里我们确定为“杯子里的绝大部分液体”。这个对象内部即使大闹天宫,也不会影响它和外界的关系。再来看外部:它受到重力作用和“杯子分子”的引力。对于蜂蜜、糨糊之类的黏稠液体,相当一部分会被杯子“挽留”下来,这样就不能完成液体大逃亡的任务了。
其次,让我们来解决残留的顽固液珠的问题。把附着在杯子底面的液珠作为研究对象,我们可以发现液珠受到了重力、表面张力、杯子底部与液体分子之间的引力作用。假设液珠达到重力平衡,可以静止地附着在开口向下的杯子底部,这种状态下液珠内部没有流动,内部成分之间的互相黏乎程度(简称黏度)就不会参与力平衡。多说一句,向下的重力和液珠的体积成正比(与半径的立方成正比),向上的固液之间的分子引力与接触表面积成正比(与半径的平方成正比),向上的表面张力的合力与液珠—杯底接触面的周长成正比(与半径本身成正比),所以当液珠增大的时候,向下的重力增长的速度远远快过向上的力(比如液珠的半径加倍,重力就会变为以前的8倍,而分子引力和表面张力变为以前的4倍和2倍)。因此,液珠上的力将不再平衡,最终被重力硬生生拖了出去。
下面我们来看几种极端情况:
水银虽然表面张力很大,但是不亲和玻璃(碰上金子倒热情,这个财迷!),所以内部拼命拉扯,而且特别重,干脆就来个水过鸭背毫不留恋,全跑了。
换酒精试试。它表面张力很小,亲和玻璃,密度又低,如果被快速泼出来的话,内部互相拉扯不厉害,表层还被玻璃抓住,就会被“扒了皮”贴在杯子里,粘得到处都是,然后受重力影响,慢慢靠表面张力拉离玻璃表面,就像是一只变形虫逐渐缩成比较肉实的一堆。
这样一来,倒得越慢,液体边缘就越可以抢回“自家兄弟”,逃脱玻璃的魔爪。但是最后一点可能因为大部队已经跑了,太小的重量不能克服玻璃的拉扯,只好留在杯子口缘。
水呢?密度较高,但是表面张力也较大,亲和玻璃,很可能最后一点水流也会被玻璃抓住,而且偏大的表面张力更容易导致水滴“细长尾巴”的断裂,丢下重量不大的小组对抗热情挽留的玻璃,最终就挂住了。
相互接触的亲疏因素跟液体表面张力的综合影响,会让最后一点液体很头疼——亲和力太强,难以缩成一团减少接触面积,杯子可以稳妥地抓住它们。这种情况在杯子不干净的时候最明显,杯子的某个地方有一块亲水更强的东西(污垢亲水力更强?不平整的表面亲水力更强?),会有力地抓住一些水,靠表面张力缩得圆鼓鼓的,使水滴掉不下去。
如果容器疏水,也难防止残留。以前看到水不浸润蜡,曾经做了一个蜡质杯子,结果还是有很多水珠挂在杯壁上面,和洗塑料布时遇到的麻烦一样。表面不平滑,加上不干净,让水不能自由流动,太大的表面张力让水膜破碎,靠内部拉扯和表面接触的分子间作用力拉扯液体,形成落单的小组,想靠重力流下去,但与拉扯作用相对弱的外围争抢不过,无法成行。
所以能够一滴水不留的物体表面不但要非常疏水,还要各处几乎同样程度地疏水,水才能靠自身的表面张力尽量收缩成团,时刻准备集体“逃跑”,而且到处打滑无法停留,外部各方向拉力都太小,自己“兄弟”之间拉力却很大,拼命聚集合并,靠重力流动、滚动、滑动,溜之大吉。
总结一下,无论如何,只要液体是和容器浸润的(亲和的),就无论如何都倒不干净。过去晾晒衣服的时候遇到一个讨厌的问题。太大件或者厚实的东西非常难拧干,就算疏水的也麻烦,挂起来后水由于重力流到下摆聚集,水滴一部分因为太重滴下去了,剩下的靠浸润衣服没法掉下去,又靠表面张力缩成一团,表面积变小,蒸发不快,衣服的干燥就主要靠衣服上半部分的大量蒸发,靠浸润的毛细作用3“抽水井”,把下面难蒸发的水分移上去扩大面积蒸发,下面的水分直到几乎被抽光了,才开始就地快速蒸发。
衣服干燥全过程的延长,就是因为衣服里的水分表面张力和重力在捣鬼。
后来我琢磨了一阵子,得到了一个伟大的滴水衣服加速干燥法,现在无偿奉献给没有甩干机的好奇人,一起享受高科技的幸福生活,哈哈!
其实办法很简单,就是降低滴水的势垒4,让水尽量多地通过脱离衣服来去除,免得它们都去排队等待毛细蒸发,流失快于蒸发,这个规律靠的就是降低能耗减少等待时间,得到一种拧水的技术改良,嘿嘿。
等水不能自然滴下,或者是滴得不够快了,去找些吸水强的纸来,比如旧报纸、餐巾纸都行,剪几个大概等腰的小三角形纸片,倒立贴在水聚集最多的 地方,如果弄湿它们,纸片就可以被水粘在衣服下缘。
于是,有意思的事就发生了。水被纸片拉扯到下端尖部,又靠表面张力缩成一团,继续拉扯上面的水,越来越重,由于纸片这个地方太尖细了,抓不住太多水分,水滴很快互相扯断,一个水珠掉下去了。
上面的水继续被拉下来,若形成太重的水珠,也掉下去,这样的过程不断进行,衣服中能够移动流下的水几乎都只好从纸片尖部流失,接下来,衣服上几乎所有地方都可以进行毛细蒸发,而没有足够水分来黏附的纸片也自然从衣服上脱落了,衣服就干燥得比较快速了。没有测量过具体加快多少时间,只记得感觉算“干得快多了”,看看衣服下摆积聚的那一大汪水,估计占刚拧好时衣服上积留水分近半吧,被纸片帮助“放跑”的水分估计接近这些水的1/3吧。也试过用脱脂棉放水,但是太软了,容易被水坠成细条,流域面积不够大,不比纸片好用。
尾声:
擦不干的桌子烧杯也好,高脚杯也罢,如果非要做到广告片里那样晶光闪烁,一尘不染,而你又请不起英式老管家,那还是准备一块干净的布,把水珠擦掉吧。