一位大爺在你前面悠悠的走著，突然，你用手機(jī)屏幕外的余光瞥見，大爺原本背在后面的右手不見了 —— 不好！說(shuō)時(shí)遲那時(shí)快，你急欲躲閃，但為時(shí)已晚，一道凌厲的白色煙氣直向你的面部襲來(lái)，一記無(wú)聲的啪正中你臉 —— 大爺那胸腔中噴出的三味真氣不偏不倚被你盡數(shù)吸入。
無(wú)數(shù)次，路上這種冷不防的襲擊，幾乎從不會(huì)失手。而令人不快的是，前面那位始作俑者對(duì)此一無(wú)所知，依舊時(shí)不時(shí)來(lái)一口，繼續(xù)享受著他的快活。
現(xiàn)在每次在外面走路，你都會(huì)留意是否有吸煙的人走在前面。如果有，最佳方案是：沖到他前面去，把他甩在后面越遠(yuǎn)越好。
但有時(shí)，遇到前面有人抽煙，但由于人多，或者路又窄，一時(shí)沒辦法超過(guò)他，只能任其陣陣打臉，那種滋味，就如同被按著腦袋聞屁一般，挺不好受的。
生活的經(jīng)驗(yàn)總是經(jīng)歷無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的。既然它總是如此的一致，必然有物理規(guī)律對(duì)此予以描述和預(yù)測(cè)。作為一個(gè)愛思考的人，這背后顯然有需要你厘清的物理問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題：為什么煙不能留在原處，或者進(jìn)一步聚集，而總是分開？
我們平時(shí)觀察一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，它可以來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，例如單擺。但是我們從來(lái)沒有看到這樣的事情發(fā)生在由很多粒子組成的系統(tǒng)上面。
凡是涉及大量的粒子組成的系統(tǒng)，就是熱學(xué)系統(tǒng)。而熱學(xué)系統(tǒng)演化總是沿著一個(gè)自發(fā)的方向進(jìn)行，而相反方向的過(guò)程并不能自動(dòng)發(fā)生，這就是熱力學(xué)過(guò)程的不可逆性。
例如，熱的物體會(huì)自動(dòng)將熱傳到低溫物體，而不是相反；摩擦力做功會(huì)導(dǎo)致機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，但熱能無(wú)法全部重新變成機(jī)械能；容器中的氣體會(huì)逐漸擴(kuò)散到整個(gè)容器空間中，而不會(huì)自動(dòng)收縮到一個(gè)局部；不同濃度的溶液混合后，各個(gè)地方的濃度將會(huì)達(dá)到一致，不會(huì)自動(dòng)回歸不均勻。
所以，下面這個(gè)動(dòng)畫是不合理的。
對(duì)于一團(tuán)煙霧 —— 細(xì)顆粒物來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗罅课⒘?，它的演化過(guò)程也是具有方向性的，它總是自動(dòng)散開而不是聚集。
上圖中容器中，沒有任何外部因素作用，氣體分子將會(huì)彼此分散，直到接近均勻地分布于容器中。我們稱此過(guò)程為擴(kuò)散，它是指粒子密度分布不均勻時(shí)造成的一種粒子從密度高向密度低的地方遷徙的現(xiàn)象。
氣體自動(dòng)擴(kuò)散而不聚集，這是由熱力學(xué)第二定律決定的。據(jù)此定律，一切熱力學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程都是使它的內(nèi)部組份的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)趨于更混亂。
描述這種混亂程度的物理量叫做熵，故熱力學(xué)第二定律本質(zhì)上就是熵增加原理。氣體擴(kuò)散后，分子的位置更加多樣化 —— 越來(lái)越混亂，符合熵增加的要求。
第二個(gè)問(wèn)題：擴(kuò)散有多快呢？真的能快到讓旁邊的人在一瞬間躲避不及？
擴(kuò)散由系統(tǒng)內(nèi)部的密度差引起，同時(shí)受到內(nèi)部的壓強(qiáng)差，溫度差以及粒子的類型等因素的影響，所以擴(kuò)散是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。
若簡(jiǎn)單的按照布朗運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散來(lái)考察，利用愛因斯坦擴(kuò)散系數(shù) 其中 為粒子半徑， 為流體黏度。如果取粒子半徑為 10 個(gè)納米，黏度為 ，溫度為 300K，則得擴(kuò)散系數(shù)約為 可見，若僅考慮單純的擴(kuò)散，顆粒每秒鐘才移動(dòng) 10 個(gè)微米級(jí)別的距離。
這說(shuō)明，僅靠單純的擴(kuò)散，煙霧不可能快到瞬間打臉的！
所以，煙霧能擴(kuò)散這么快，是由更多的因素和機(jī)制導(dǎo)致的。當(dāng)考慮煙霧在開放空間中的壓強(qiáng)差、溫度差和氣流等各種因素時(shí)，實(shí)際擴(kuò)散速度將非常快。
同時(shí)還要考慮到，人類的鼻子敏感性較高，即使只是微量的煙飄過(guò)來(lái)，也足夠引起不適。因此，那悠悠的煙雖然看起來(lái)不緊不慢，但卻瞬間卻撲鼻而來(lái)，五臟六腑都被熏透了，哪怕好幾米開外都無(wú)法幸免。
第三個(gè)問(wèn)題：為什么感覺這煙總是往后飄？
環(huán)顧四周，這天氣不錯(cuò)嘛，一絲風(fēng)也沒有。按說(shuō)，零級(jí)煙柱直沖天呀，可這從人口中吐出的煙為什么總使勁往后竄呢？
很簡(jiǎn)單，原因出在你身上，因?yàn)槟阍谕白呗?。這背后涉及一個(gè)樸素的物理知識(shí) —— 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
對(duì)地而言，煙在水平方向原本靜止，但相對(duì)你或吸煙者而言，煙則具有向后的速度，因此你會(huì)看到那煙直沖你而來(lái)，你走的越快，那煙以更加凌厲的速度迎面襲來(lái)。
類似的問(wèn)題是：為什么我們走路時(shí)，總是感覺輕風(fēng)拂面？
是的，你走的越快，這風(fēng)還會(huì)變得更大。
第四個(gè)問(wèn)題：煙應(yīng)該比空氣重，為什么卻向上升？
煙霧由部分燃燒的碳?xì)浠衔锝M成。這些是固體顆粒，由于重力的作用，它們本應(yīng)該落到地面上。那它們?yōu)槭裁磿?huì)上升呢？
因?yàn)橥ǔＧ闆r下，燃燒會(huì)產(chǎn)生煙霧，必然伴隨著熱放出，提高了周圍空氣的溫度?，F(xiàn)在熱空氣比冷空氣輕，并開始上升，上升的空氣逆著重力向上推動(dòng)固體顆粒上升。
最后一個(gè)問(wèn)題：有人說(shuō)，一邊走路一邊吸煙，毒素就被吹走了，還有助于鍛煉身體，果真如此？
100% 的謠言！
走路吸煙時(shí)，血液中膽固醇的總量與游離脂肪酸均增加，會(huì)引發(fā)血管粥樣硬化的產(chǎn)生。另外走路抽煙會(huì)造成氣管與支氣管的腺體增生和呼吸道潰瘍炎性反應(yīng)加重。
如果邊走路邊吸煙，隨著吸煙時(shí)間的增長(zhǎng)，器官黏膜纖毛長(zhǎng)期暴露在香煙的煙霧中，會(huì)使人體呼吸道黏膜纖維消除塵埃的能力受到阻礙，而發(fā)生急性支氣管炎的概率會(huì)增高。
人處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，呼吸速度比安靜時(shí)快，肺泡的換氣功能加快，人體全身的血流循環(huán)和代謝速度也加快。吸入的有害物質(zhì)更容易進(jìn)入肺泡，更容易循環(huán)進(jìn)入血液中。
煙卷燃燒后會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，加上人體運(yùn)動(dòng)中呼吸頻率的加快和深度增強(qiáng)，使人體吸入的一氧化碳在血液里的濃度超過(guò)萬(wàn)分之四十，就會(huì)影響血液的輸氧功能。
有人可能會(huì)說(shuō)：現(xiàn)在只是室內(nèi)禁煙吧？室外沒限制。
是這樣嗎？當(dāng)然不是！下面是《公共場(chǎng)所控制吸煙條例》第二章中有關(guān)禁止吸煙的范圍和措施的內(nèi)容：
第十條 所有室內(nèi)公共場(chǎng)所一律禁止吸煙。
第十一條 下列公共場(chǎng)所的室外區(qū)域全面禁止吸煙：
（一）托幼機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、學(xué)校、活動(dòng)中心、教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等以未成年人為主要活動(dòng)人群的公共場(chǎng)所的室外區(qū)域；
（二）高等學(xué)校的室外教學(xué)區(qū)域；
（三）婦幼保健機(jī)構(gòu)、兒童醫(yī)院、婦產(chǎn)醫(yī)院的室外區(qū)域；
（四）體育、健身場(chǎng)館的室外觀眾坐席、賽場(chǎng)區(qū)域；
（五）公共交通工具的室外等候區(qū)域；
（六）法律、法規(guī)規(guī)定的其他禁止吸煙的室外場(chǎng)所。
所以，室外有很多地方是不能吸煙的!
當(dāng)然大多數(shù)室外空間沒有限制，所以指責(zé)一個(gè)吸煙的路人是沒有法律依據(jù)的。不過(guò)，有些國(guó)家和地區(qū)，例如日本和中國(guó)香港，都倡議人們走路時(shí)不要吸煙。
一座鋼廠的煙囪影響一座城市，一根香煙恩澤一座公交車廂，而走路吸煙，就像一根移動(dòng)的煙囪，一根尾巴拖到幾十米開外。
當(dāng)然，我們也應(yīng)該體諒吸煙者，畢竟他們也是受害者嘛！但還是希望這種移動(dòng)的煙囪越來(lái)越少。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：大學(xué)物理學(xué) （ID：wuliboke），作者：薛德堡
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