
这就不得不拿出那张祖传的烧水图了
这个图所描述的烧水的过程很好地展示出了热传导,热辐射,热对流三种热传递的过程。
首先来看热传导。《说文解字》言:“导,导引也。要能导引就需要需要有导引的人,即向导。而热传导过程中的向导就是物体内部的分子、原子或者电子。热传导是指当不同物体之间或同一物体内部存在温度差时,就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象。当一个物体的一端被加热时,分子或原子获得能量并振动,这些振动通过碰撞或相互作用传递给相邻的分子或原子,从而热量从高温区域传导到低温区域。金属之所以是良好的导热体,正是因为其内部有大量自由电子,这些自由电子可以快速传递热量。而大多数绝缘体是热的不良导体,则是因为分子振动是受限的,只能在很小的范围内振动,因此其热量传递的过程要远慢于可以通过自由电子传到的金属。烧水图中被火加热的锅就是通过热传导的方式将热传递给锅中的水。我们常见的锅柄一般都用塑料包裹,也是利用了塑料的热不良导体性产生隔热效果,从而方便我们拿锅。
然后是热辐射。辐射这个词就相对而言比较新,比较物理。所谓辐射指的是由发射源发出的电磁能量中一部分脱离场源向远处传播,而后不再返回场源的现象。热辐射是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射,并且温度越高,辐射出的总能量就愈大。与热传导不同的是,热辐射不需要物质媒介来传递,因此可以在真空中发生。地球之所以能保持温暖,正是因为太阳通过辐射将热量传递到了地球。我们所熟知的宇宙微波背景辐射,也是宇宙学中认为的,宇宙大爆炸时遗留下来的热辐射。烧水图中火传递给锅的热量有一部分就是来自于火发出的热辐射,因此即使锅离火有一段距离,锅也能被烧热。这里火传递给锅的另一部分热量则还是来自于热传导,一般的火焰其实是一堆正在的发热发光的气体,而高温的火焰则会呈现等离子态,但无论如何最终都是通过粒子碰撞的方式将热量传递给锅。
最后是热对流。要产生对流,就要能流,要能流就需要是流体。热对流是指在流体(液体或气体)中,热量通过流体的整体运动从一个区域传递到另一个区域的过程。其依赖于流体中的温度差异:当流体受热时,流体膨胀而密度降低,从而产生浮力使热流体上升,而冷流体下降,形成对流环流,从而传递热量。在水壶中加热水时,底部的水受热后上升,冷水下沉,形成对流环流,加热整壶水。大气系统中的热对流现象则更为常见,比如中学地理中学到的气压带也和热对流息息相关。常听到的暖气要放低处,制冷的空调要迎着上方吹,就是利用热对流的原理使热量更快地在房间内传递,达到升温或者降温的效果。
