「咖啡或茶」的科学

1. 为什么一滴咖啡（或茶）会在桌上留下棕色的环？
2. 这现象是否与表面张力有关？
3. 为什么茶包在热水中会胀大？

   撰文：李本滢

1. 为什么一滴咖啡（或茶）会在桌上留下棕色的环？

一杯咖啡（或茶）里有很微小的棕色物质。一滴咖啡也是一样。 咖啡滴落在桌上，会向不同方向散开。当遇上障碍物，如桌面上的微小和看不见的刮痕或沟时，液体便会停止扩散。 从侧面看，水滴的中央最厚而边缘最薄。当蒸发时，由于边缘的液体最少，它会最先变干。这会使水滴体积收缩，可是因为有表面摩擦力，水滴边缘会被桌面黏住，水滴的覆盖面并没有因蒸发而减少。所以有更多液体会从中央移向边缘，带来更多棕色物质。由于蒸发持续，更多棕色物质滞留在边缘，直至所有液体消失，最后形成一个棕色的环。

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2. 这现象是否与表面张力有关？

以上解释是经科学家详细的数学计算得来的。他们发现其原因是蒸发作用。可见表面张力并非原因，而其间接作用只是出现于液体表面弧度较大的地方。这些地方蒸发较快，原因是水分子周围由于分子数目较少而引力较小。反过来说，平坦的表面由于周围的分子较多，表面引力较大。 棕色的环同样出现在桌布上。这亦可用蒸发过程（而非表面张力）来解释。

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3. 为什么茶包在热水中会胀大？

最主要的原因是茶包里的空气膨胀。回想中学教科书里的气体定律∶体积会随绝对温度（即摄氏温度加273度）上升。所以当温度从室温（如摄氏25度或绝对温度298度）上升至水沸点（摄氏100度或绝对温度373度），茶包里的空气体积便会膨胀373/298倍，即约1.25倍，亦即是增加百分之二十五。 由于茶包的纤维会锁住一些水分，有效地把空气密封在茶包里，导致温度上升时茶包胀大。 当水煮沸时，另外的作用是茶包里的茶叶会成为很好的「成核位置」，方便蒸汽的气泡形成。如果你观察水在玻璃容器中煮沸的情况，可以留意到蒸汽泡只从玻璃容器壁的一些特定位置如细小的裂缝或破口释放出来。这些便是成核位置。汽水亦有类似效果，请参阅：http://www.weather.gov.hk/education/edu06nature/ele_bubble_c.htm。 所以在沸水中，茶包胀大主要原因有二∶一是空气膨胀、二是茶包里多了蒸汽。

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参考：

1. "What Einstein told his barber" by R.L. Wolfe, p.186, Dell Publishing, 2000.
2. "The Last Word", New Scientist, 15 Dec 2007.