问题

「55 度水杯」利用的是什么物理原理?

回答
“55度水杯”之所以能够将滚烫的水保持在可以入口的温度,并且在一段时间后还能提供温热的感觉,它主要巧妙地运用了几个关键的物理原理,并且将它们整合到了产品的设计之中。

首先,最核心的原理是相变材料(Phase Change Material, PCM)的储热和释热能力。

具体来说,这个水杯内部会填充一种特殊的物质,这种物质在特定的温度范围内,会发生固态到液态(或者液态到固态)的转变。这种转变的过程,也就是我们常说的“相变”,需要吸收或释放大量的热量,而这个过程中,物质本身的温度却变化不大。

对于“55度水杯”而言,它内部的相变材料被设计成在55°C左右发生相变。

当倒入滚烫的水时: 水的温度远高于55°C。这时,相变材料会吸收水的 excess heat(多余的热量),将滚烫的水迅速降温,使其接近55°C。在这个过程中,相变材料会从固态转变为液态(或者从一种固态转变为另一种固态,取决于具体材料)。在这个相变过程中,材料会吸收大量的热量,但温度保持在相变点附近,所以杯壁的温度不会烫手,同时水温也很快下降到了一个可以接受的范围。
保温与缓释热量: 一旦水的温度降至55°C左右,相变材料也基本完成了液化(或另一种状态的转变)。虽然此时水的温度不再是滚烫的,但它仍然高于室温。相变材料在液态(或另一状态)时,会开始缓慢地将吸收的热量释放出来,同时自身逐渐从液态转变为固态(或最初的状态)。这个缓慢的放热过程,能够维持杯内水的温度在55°C左右较长一段时间。你可以理解为,相变材料在“储存”了滚烫的水的能量后,再分批、稳定地释放出来。

第二个相关的物理原理是热力学第二定律和能量守恒定律的体现。

能量守恒: 倒入的热水能量并没有消失,一部分通过杯壁散失到周围环境,一部分被相变材料吸收,转化为相变材料的内能,从而改变了它的相态。
热力学第二定律: 热量总是自发地从高温物体传递到低温物体。在这个过程中,水的能量传递给相变材料,然后相变材料再缓慢地将能量传递给周围环境。由于相变材料的特性,这个传递过程被“调控”了,使得水温的变化不再是线性的、快速下降,而是被“熨平”在一个更舒适的区间。

设计上的巧妙之处:

1. 材料的选择: 相变材料的选择至关重要。它需要具有合适的相变温度(55°C)、较高的相变潜热(意味着能吸收或释放大量热量)、良好的导热性(能够快速与水和杯壁进行热交换),并且安全无毒。常见的相变材料有石蜡类、盐水化合物等。
2. 密封结构: 相变材料被封装在杯子的夹层或者底部,形成一个密闭的空间,以防止材料泄漏,并确保其与水和杯壁有良好的热接触。
3. 导热材料: 为了更有效地进行热交换,杯子的内胆和外壁通常会采用导热性较好的材料,如不锈钢,以加速热量的传递。

总结来说,“55度水杯”就是利用了相变材料在特定温度下的吸放热特性,来“吸收”滚烫水的过剩热量,将水温迅速降至一个宜饮的温度,然后再缓慢释放储存的热量,从而在相当长的一段时间内将水保持在一个温暖的状态。 这是一种非常聪明的能量管理方式,让一杯水变得更加“智能”和人性化。

网友意见

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2015.01.14更新

中午吃饭看到的 @野合菌 的答案,期待已久的干货终于来了!

今天的更新算是积攒了一些评论区的问题统一更新吧!其实评论区还是挺精彩的。


昨晚的时候 @吕威明 提醒我果壳(55度杯——拆解篇)有人拆了此杯子,我去看了一下,感觉相比之下还是 @野合菌 的实验过程比较严谨一点。(传送「55 度水杯」利用的是什么物理原理? - 野合菌的回答)不过果壳下面的一些大神的评论还是相当不错的,在这里截几个图给大家。


这里大家注意一下这个“实用新型专利


其实我这个答案才发的时候评论区就有大神 @ferris shi 指出这个是实用新型专利。图如下

内幕啊有没有!哈哈

这也怪我,学检索的时候没好好听专利,结果就和大家一样,一听到专利就觉得高大上啊,其实专利有很多种类。

其实更具体的解释可以参见「55 度水杯」利用的是什么物理原理? - ferris shi 的回答


在这里再附上实用新型专利_百度百科的解释:实用新型专利又称小发明或小专利,是专利权的客体,是专利法保护的对象,是指依法应授予专利权的实用新型。实用新型通常是指对产品的形状、构造或者其结合所提出的适于实用的新的技术方案。


至此应该能解释@王小新 的疑问了吧(为啥at不到)


@浪子评论说:看来还是高估了国人的创造力?


我并不这样认为,我个人就觉得这个瓶子的设计就非常有创意,并且外观也不错。人人都知道相变蓄热材料,就没人想到相变蓄热材料还可以这么用。这就是创意。

我举一个例子:仙剑奇侠传大家听说过吧?它是单机游戏,之前的上海软星貌似已经破产了,现在出的仙剑系列都是北京软星做的了。大家有没有想过为什么国内就没有优秀的单机大作呢?就是由于盗版严重,做游戏的赚不到钱,都转行了。所以这些缺乏都不能代表我们没有创造力,只是不计回报的人毕竟是少数。

再举一个例子,老师上课说的:国外一哥们儿花了十年,几百万,研发出一台仪器,卖到中国以后,两年就被仿造了,于是可想而知接下来面对的就是技术封锁,好东西人家都不愿意出口给我们了。这些时间金钱不是成本也是心血,有几个人可以接受这样呢?


成本并不等于市场价格


我为什么一直强调要尊重知识尊重知识,就是所有东西都是需要成本的。世界上只有两种人可以不计回报地为人类发展做贡献:一种是无欲无求搞研究的,另一类是土豪,不愁吃喝然后搞研究的,他并不在乎回报。

这里上个图

嗯,做一个XRD快够买一个杯子了吧?这还不说扫描电镜这种按使用时间计费的玩意儿了。(所以这里再次感谢下各位拆了杯子的哈哈)


第三就是,其实这个问题被提出到现在,实在很有意思,这就是探索的过程啊,猜想+验证。有人觉得这个物理现象神奇,于是就有人给出了推测和猜想,猜想之后就有人验证,验证之后大家去照着做一遍,发现有不一样的地方了,或是有方案改进了,又有了新的猜想。循环往复向前。

我们都是站在前人的肩膀上。(所以并不存在打脸一说,不过商家是真被打脸了)


最后要说的就是,虽说厂家并没有承诺用的就是相变金属,但是根据 @野合菌的答案,这连相变都没有啊!我也非常希望能有一个解释。



----------------------------分割线--------------------------------------------------------------------------

不请自来。
看够了一系列的谣传。。。楼上居然还有贴朋友圈截图的也是够了。
专利申请号:2013204148441
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
由于知乎上的东西一直以来被各个地方无耻转载不注明出处,所以我不敢直接贴人家的专利说明书,可能会被一些别有用心的用作商业用途,所以检索教程如下:
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
附上链接:中华人民共和国国家知识产权
以下为检索教程:
1、打开上述链接
2、点圈内链接3、接着点
4、公众查询
5、好好读使用声明!!!!并同意!!!!


6、粘贴上面的专利号

7、得到结果后点进去------>审查信息------->申请文件-------->说明书


然后好好学习吧=_=
不是什么三水合醋酸钠加成核剂!!!也不是什么石蜡什么汽车防冻液!!!!
说明书里面详细提了这是一种相变潜热大于石蜡的相变金属,具体我也不多说了,大家自行检索。

最后最后要说的也是最重要的一点就是:我们国家对于知识产权的保护太差,我们自身对于知识产权的认识和尊重也很差。所以才会不断闹出类似“iPhone成本只有一千多块为什么卖五六千”这样的笑话,所以“55度杯”这样出色的一个工业设计以及创意才发布就会遭到如此惨的山寨,然后被攻击为炒作与营销。所以知网上才能检索出内容完全相同作者不同期刊不同的文献,所以一个作者辛苦创作出来的东西才会被人无耻的复制粘贴然后反咬一口说你抄袭我,然后原作无力维权。。。
类似的事太多太多不胜枚举,不能否认的是,优秀的创新都始于对优秀品牌的模仿,模仿与山寨盗版的本质区别在于:你能尊重知识,并最终走出属于自己的真正创新之路

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