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小小茶叶,谁主沉浮(7)

再冷门的问题也有最热闹的答案 作者:科学松鼠会和它的朋友们


刚一冲茶时,热水使“水箱”中的气体加热,迅速膨胀,超出“水箱”体积。超出的部分混杂在冲茶泛起的泡沫中,逃过了我们的眼睛。“水箱”中剩余的热空气在茶水自然冷却的过程中收缩,从而相当于潜艇水箱中的空气被“压缩”了,让水进来,实现了“下潜”。

八爪鱼还有一个关于水温的实验,发现用温度低的水冲茶时,茶叶的下降率降低了。这是因为水温低将不能使“水箱”内的气体充分膨胀,也就不能排出多少气体。那么在温度下降

的过程中,要使这些气体收缩到失去足够浮力的程度,就需要更长的时间。

另外,与一般的茶叶相比,白毫银针有一个特点:茶汁不易浸出,冲泡时间较长。这从侧面说明了,白毫银针下水时并未直接与水接触,而是被叶片表面的纤毛层的气体包裹,所以才不易泡出茶汤。但最终当气体体积变得很小时,在表面张力作用下会收缩成小气泡。于是绝大部分的茶叶表面就得以与水亲密接触了。

hbchendl在答案中提到热水由于杯底散热,所以有上小下大的密度梯度。但实际情况恰恰相反。因为杯底下是桌面,而通常桌面都不是热的良导体,会被杯子迅速加热到与水接近的温度(把杯子端起来摸摸放杯子位置的桌面就知道了,不过要小心烫着)。由于温度接近,会进一步降低热传导的效率。

反观杯口的水面,不但通过热辐射和对流高效散热,还通过水的气化作用放热(气化是吸热反应,但从茶水的角度看,热量被吸走就相当于自己放热)。这些作用的降温效果都要好过杯底与桌面的直接传热。所以实际上杯口的水温要低于杯底,相应水的密度也就大于杯底。所以,热水杯里才会有对流,进一步帮助散热。否则的话,估计人类到现在都还没发明保温杯呢——因为没必要嘛!

这种上大下小的密度梯度看似加速了茶叶的下沉(因为越往下沉,浮力越小),但实际上,像白毫银针这些浮沉现象明显的茶叶能在下沉中逐渐停下来,悬浮在水中央。这是因为上低下高的温度梯度的存在。随着下沉,环境水温有所增高,气体略微膨胀,浮力加大。当到达某个深度,浮力能与重力抵消时,茶叶就将悬浮在此处。当然,具体的分析还要考虑茶叶的下沉速度和水的阻力等因素,但总体上是一个有阻尼的收敛振荡。


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