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能量守恆定律-《物理才是最好的人生指南》

PanSci_96
・2015/01/13 ・1809字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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就在同一個星期裡,艾蓮諾修女提到耶穌讓拉撒路死而復生,羅榭爾修女則表示能量無法創造也無法破壞,只能轉換形式。這兩堂課似乎有所關連。

我腦子裡一直在想羅榭爾修女寫在黑板上的位能與動能公式。假設事情就像耶穌和修女們堅持的那樣,我們死後還有某樣東西存在,那它一定要離開我們的身體。如果靈魂不是實體,就一定是某種形式的能量。當那最後一股能量離開拉撒路的身體往天堂飄去的時候,耶穌想必攔截了這縷小小的青煙,包在手掌心裡,然後小心翼翼送回拉撒路的身體裡,讓他重新活過來。

在我的想像中,耶穌使勁一揉,把能量推入拉撒路的胸膛,已死之人的眼睛就這樣再度張開,搞不清楚剛剛發生了什麼事。這就是改變了形式的能量,沒有創造,只是弄熱、搓揉、移動。顯然耶穌已經讀過熱力學第一定律,因為他讓這個改變形式的做法流傳下來。前一刻拉撒路死了,後一刻他坐了起來,還要了杯水。幹得好,耶穌你真是個科學家。

我在想,艾蓮諾修女和羅榭爾修女搞不好在隔壁的修道院裡一起擬定教學計畫。我想像她們一邊喝著調酒,一邊大聲討論各種轉換:死而復生、清水變美酒、信仰化成行動,並且把這些包裹在課堂的教材裡,讓我們把一切結合起來:耶穌是科學家、牛頓是救主、上帝把戒律寫在石板的一面,另一面則寫著熱力學定律。我知道這種想法有點牽強啦,但似乎也沒有什麼不合理。

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宇宙已經擁有它所能得到的全部能量。耶穌和羅榭爾修女對於這個想法或許很滿意,但對我來說仍是個很嚇人的概念。

我們絕對無法再造出更多能量,只能當能量變化的媒介。太陽的能量儲存在蔗糖裡,我們吃了糖,並把它的熱量轉換成接吻還有裸泳需要的能量,就像宇宙中其他生物一樣,我們都是能量轉換機。你可以把甜甜圈轉換成用美麗的雙腿跳舞、把餅乾轉換成在動個不停的腦子裡計算,但你不能創造任何新的能量。宇宙已經擁有我們所需要的一切能量。這就是熱力學第一定律。沒錯,規定就是這樣。

提高人生的能量轉換率

車子陷入泥巴或雪地的時候,需要將很多由汽油而來的位能轉換成動能:空轉的車輪、飛濺的泥巴,還有過熱的引擎。駕駛也會把熱量轉換成汗流浹背敲打儀表板的動能。結果並不怎麼有生產性,沒什麼價值,也不夠有氣質。

不論是困在除夕暴風雨裡的轎車,或是一邊輪胎卡進山溝的超大貨車,都能讓我們從中學到很多東西。早在幾年前,我就下定決心不再空轉。我列出一長串感覺像是空轉的活動:杞人憂天、小題大作、抱怨、受邀參加派對但沒空去(還跟人家說我有多忙)。我不會再做這些事。如果要休息,我就休息;如果要工作,就工作。如果無法參加派對,我就禮貌婉拒,再送些花過去。我不再讓自己空轉。

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練田徑還有越野賽跑的時候,我們稱那些既沒挑戰性又休息不了的訓練叫「不上不下的訓練」。以比賽時的速度和休息時的速度交替鍛鍊,是讓跑者的身體進步最快的方式。如果每天都用不快不慢的速度練習,跑者的身體就無法感受到培養更多肺活量和肌力的必要性,還有可能冒著受傷或累壞的風險,因為從來沒有機會休息。

雖然在跑步的時候知道「不上不下」的概念,我卻還是在工作和創意提案時犯了大忌。應該好好休息或全心衝刺的時候,反而東想西想,一直空轉。

我必須來點不一樣的。一旦發現自己在空轉,就換件事情做。我全心全意做那些看起來完全沒用的事情,像是去電影院看場以會說話的動物為主角的電影,或是做些杯子蛋糕──最簡單的那種,用現成的預拌粉,一點都不難。等頭腦清楚了,再回去工作。如果停止空轉、真正休息,很快就能再上陣;而經過卡通和巧克力糖霜帶來的真正放鬆後,也會變得更有效率。

人的一生就這麼幾年,一天就這幾個小時,還有那麼多的創意要發揮。如果想要運作得更有效率,就需要稍作休息。如果我們一直轉個不停,那麼這一生也就不過就是陣無用的煙塵、噪音,還有燒焦的橡膠。對我來說,不想再多花一秒鐘空轉,因為過去浪費得夠多了,想把握時間將自己的潛能充分發揮出來。我要付諸行動,不管是與生俱來或從經驗學會的任何才能、運氣、力量和幽默,都要讓它們產生動能,這樣當我嚥下最後一口氣的時候,就不會殘存任何能量。就算是手腳最快的救世主也沒辦法抓到什麼東西塞回我胸膛。

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08ed364c0a044590893d0daf8511ac44本文摘自泛科學2015一月選書《物理才是最好的人生指南》,究竟出版社出版。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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達文西教你一起動手玩能量!——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/28 ・1234字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 452 ・五年級

無所不在的能量

彩虹、跳繩與藍天,這些都是開始了解能量的好主題。首先要知道,能量可以改變形式。舉例來說,能量可能先以風能的形式出現,然後變成了電能。能量無法消失毀滅,也無法增補重生;能量只能轉換形式。現今宇宙所有的能量,也是未來能量的總和。

達文西曉得空氣(風)的能量和水波的能量有關,兩者又都與太陽的能量有關。波動可以在水裡、陸上與空中傳播,他對此深深著迷:「水波從生成點快速遠離,但是水並沒有改變位置,就像五月清風拂過麥田一樣。你看到麥浪經過,但是麥穗還是在原本的位置。」

波動與水流讓達文西著迷,此畫作完成於1510年左右。圖/天才達文西的科學教室

用跳繩舞動能量、興風作浪!

讓繩子以波動舞動起來,是解釋電磁波光譜的好範例,就先從跳繩開始吧!電磁波,也是彩虹與藍天的起源。接下來,你要縱身跳入一起動手玩的實驗中,體驗能量守恆。

電磁波以波浪的形式傳播,如同跳繩產生的波浪一樣。圖/天才達文西的科學教室

雙手抓緊跳繩的一端,手臂上下擺動,讓繩子跳起波浪舞。不管你身在何處,現在就被無所不在的能量波動撞擊著,而跳舞的繩子就是能量波動的絕佳模型。這些能量波動就是電磁波——真的是透過磁場與電場的緊密關係產生的。打開電燈開關、收看電視、收聽收音機、使用微波爐、以手機互相溝通等,利用的能量都是電磁波。電磁波以波浪的方式傳播,如同跳繩產生的波浪一樣。

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能量的原理讓彩虹變成你的畫筆

實驗材料:小型LED手電筒紅色藍色與紫色各一個、夜光紙或銀色布膠帶擇一,貼在厚卡紙上 (12.7公分 × 17.7公分)、筆、普通的手電筒、筆記本

只需紅藍紫色小型LED手電筒,加上貼上夜光紙或銀色布膠帶的厚卡紙,就能用可見光書寫啦!
圖/天才達文西的科學教室
  1. 打開紅色LED手電筒,把手電筒當成筆,投射在夜光紙上,會產生怎樣的效果?
  2. 你看到什麼?每種色光和夜光紙之間,交互作用有什麼不同?
  3. 接著以藍色光做測試,再以紫色光做測試。
  4. 最後,以普通的手電筒照射夜光紙,光產生的反應又是什麼?
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化。

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焦耳誕辰|科學史上的今天:12/24
張瑞棋_96
・2015/12/24 ・1082字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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用火藥槍發出巨響所造成的回聲測距離,一次因為反作用力太大而將槍掉入水中,另一次因火藥裝太多而燒掉一邊眉毛。電一隻馬的瘸腿,看看是不是會抽動;拿家裡的工人來實驗,結果把他電暈了。不,這不是豆豆先生的喜劇橋段,而是英國物理學家焦耳在中學階段搞的實驗。

詹姆斯.焦耳。圖/wikimedia

不過在當時的英國科學家眼中,焦耳的形象有那麼一陣子也沒比豆豆先生好多少。雖然焦耳念的中學是提出原子論的道爾吞所創辦,成為他親自教導的最後一批學生,接著也唸完了曼徹斯特大學,但是焦耳畢業後即回家接掌事業,成為釀酒廠老闆,也難怪科學圈內的學者不將他看在眼裡。因此,當焦耳從釀酒槽發熱的現象得到啟示,將不同的金屬線放入水中通電加熱,測量電流大小與水溫的變化,而得出Q = I2Rt的焦耳定律(熱量跟電流的平方成正比,跟導體的電阻成正比,跟通電的時間成正比),而於1841年將發表論文時並沒有引起多少注意,直到第二年一位俄國科學家也得出同樣的結論,焦耳定律才得到肯定。

1843年,他開始著手另一個實驗:熱與能量間的轉換關係。他讓砝碼以自由落體方式落下,透過滑輪帶動密封水筒內的槳轉動,使筒內的水摩擦生熱,證明熱能是由機械能轉換而來,並非當時普遍以為的熱是存在物質內部的一種「熱質」。他還發現固定單位的功會產生一定的熱量,兩者之間固定的數量關係稱為熱功當量。焦耳所做的實驗意義重大,除了顛覆關於熱的傳統認知,還產生了一個前所未聞的創見:能量不生不滅,只是在不同形式間轉換;也就是後來所稱的「能量守恆定律」。

但畢竟大家的錯誤觀念已根深蒂固,加上焦耳本身的業餘玩家形象,當時聆聽焦耳發表論文的科學家們即使沒有跟著出言譏諷,也都只是沉默以對,以他的實驗不夠嚴謹為由,將他與他的主張打入冷宮。

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焦耳不吭不响,默默地回去繼續精進實驗,鍥而不捨地做了四百多次實驗,求出熱功當量的值為4.159焦耳/卡,與現今的4.186焦耳/卡相差無幾。焦耳的論點後來也由其他科學家的實驗得到驗證,終於在1850年獲選為皇家學會的會士,當初嘲笑他的湯姆生 (William Thomson, 1st Baron Kelvin),也就是後來訂出絕對溫度的開爾文男爵,也跟他變成好友,兩人一起合作,聯名發表了許多論文。

1889年焦耳與世長辭,當初的釀酒商得以科學家的身分長眠地下,他的名字也被作為能量的單位,以紀念他的偉大貢獻。
日──波耳誕辰

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。
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