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                熱傳遞的三種方式(熱力傳遞的三種基本方式)

                時間:2022-08-22 15:51 作者:張同

                盡管地球上最冷時能達-93.2℃,最熱時則能到56.7℃,但地球最近數千年來的平均溫度一直維持在15℃左右,令人非常好奇的是,太陽的溫度在5500K左右,大約是5226℃,在太陽和地球之間廣袤的太空卻處接近絕對零度!

                比如月球夜間甚至低到-183℃,需要核電池產生熱量來保溫,而在近地軌道的太空也是冷到結冰,阿波羅13號當年從月球返回地球,由于服務艙爆炸,電池電量不足,幾位宇航員凍到發抖,而在《復仇者聯盟》中的烏木喉,直接在太空中凍成了冰坨坨,地球都曬熱了,為什么天空是冰冷的?

                溫度是怎么來的?

                在了解溫度之前,先來大致了解下太陽為什么會發光發熱:太陽是個直徑大約140萬千米的恒星,如此大質量的天體,引力坍縮導致的內核溫度升到了極高的程度,使得氫原子的電子已經脫離軌道,原子核處在離子狀態。

                而超高溫度下,氫原子核的碰撞聚變成了氦原子,在這個過程中損失的那部分質量轉變成了能量,而在太陽內部,大約有一個直徑30多萬千米的區域正在進行著這樣的反應,太陽的熱量就是從這散發出去的。

                這個部位的熱量通過輻射、對流傳導到了表面,將整個太陽都燒成了等離子狀態,地球上曬到的光和熱就是太陽表面散發出來的,但能量來源在內核部位。

                溫度到底是什么?

                上文中剛剛聊到了太陽內核部位的聚變過程,由于引力坍縮的能量輸入,氫原子的電子已經游離,處在等離子狀態,而原子核之間的劇烈運動導致了碰撞的發生,也就是核聚變產生的真正原因。

                在這個過程中,引力坍縮是能量來源,碰撞是過程,聚變和釋放能量是結果,而表現就是溫度!舉例的是太陽內核,但溫度的本質是微觀粒子的運動卻是不會改變的,這個道理早在100多年前前赴后繼的科學家就已經發現了。

                比如開水燙到人,那是水分子劇烈運動碰撞了人的皮膚,能量被皮膚吸收,超過了皮膚承受極限而燙傷,假如溫度低一些,那么撞擊到皮膚的水分子能量就不一定會傷到人,反而會讓我們暖洋洋的很舒服。

                假如微觀粒子都靜止不動了,那么它的溫度就趨向于絕對零度,當然這是一個不可到達的溫度,只能通過物理計算。

                熱有幾種傳遞方式?

                冬日里泡熱水澡就是熱的一種傳導方式,溫熱的水接觸到了人體,將熱量傳遞給了皮膚,這是傳導,還有一種就是曬太陽,暖洋洋的陽光曬在人身上,渾身舒坦,這就是熱的輻射方式,媒介是光(包括可見光和其他不可見的低頻(紅外)高頻輻射(紫外))。

                光子撞擊皮膚,將能量傳遞給了人體皮膚原子外圍的電子,使得電子能級躍升,再跌落釋放出能量,再吸收,再跌落一直重復這個過程,使得人體溫度上升,當然如果光子能量很大,那么會灼傷人,比如用透鏡聚光或者夏日里暴曬太久。

                還有一種則是對流,這個方式在北方比較多見,冬天的取暖片上方感覺最熱就是這個原因。

                為什么太空那么冷

                了解了熱傳遞的三種方式,那么討論太空冷熱就簡單多了,溫度的本質是微觀粒子的運動,所以它需要一種媒介來表現,那么太空中用什么媒介來表現溫度呢?答案是沒有!因為理論上的太空可以用宏觀狀態的“什么都沒有”來表達。

                但事實上太陽系內的太空仍然充斥這大量的帶電粒子,這是來自太陽的高能粒子,也有黃道面上聚集的大量塵埃,但這就是和地球最稀薄的100千米高度的大氣層頂端分子數量都無法相比,能表現出溫度的媒介太少,所以理論上的太空是“溫度”是很低的。

                黃道光成因

                就像大氣層中有一個熱層,此處的溫度高達成百上千度,但卻非常寒冷,因為整體能給予的能量太少了!所以在幾乎沒有任何粒子運動的太空,它的溫度接近絕對零度。

                太空真的那么冷嗎?

                有一種誤解是太空真的很冷,人到了太空馬上就會結冰,但這其實錯得很離譜,人體感覺冷有幾種狀況,比如接觸冰塊或者被寒風吹到,會感覺很冷,但在太空,既沒有寒風也沒有冰塊,請問怎么個冷法?

                當然還有輻射會降溫,但人體體溫本來就不高,輻射散熱效率很低,人體并不會瞬間結冰,所以太空并不冷,但最可怕的不是這個因素,而是“真空”,這個狀態下,人體表面液體會大量蒸發帶走熱量,這才是低溫的來源,但人體表面水分有限,很快就會停止,人體也會在死亡后通過輻射慢慢降溫,最終還是會結冰,只是過程會很久。

                比如丟一坨水到太空,它并不會先結冰,而是先沸騰,在沸騰過程中被帶走大量的熱后結冰,要不然太空中的冰是哪來的,不都變成水蒸氣了么?

                地球真的是被曬熱的嗎?

                準確的說,地球并不是被曬熱的,而是被捂熱的!地球和火星很大的不同就是有一個比較厚實的大氣層,還有水蒸氣以及二氧化碳等,還有水圈和巖石圈等組成!

                其中最關鍵的有兩個,一個是大氣圈,一個是水圈,這是地球保溫的最大功臣,假如沒有這兩個溫室效應,那么地球的溫度大約會是-21℃,當然這個溫度下赤道還是會比較溫暖,但夜間也會冰冷刺骨,而其他地區則會滴水成冰,生命根本就不會誕生!

                所以適當的溫室效應是必須的,但過高也會導致嚴重后果,就像金星就是溫室效應失控了,表面溫度超過450℃,簡直比地獄還地獄!

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                張同

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