6种改变内能方式-《通识物理》

通过上节内容的学习，我们现在已经知道：“做功和传热是改变系统内能的两种方式”，这是热力学第一定律的核心内容。其中，做功既包括我们所熟悉的摩擦生热这类“狭义功”，也包括电流做功这类“广义功”。而传热则主要包括“对流、辐射和传导”这三种途径。这些传热方式不仅广泛地存在于我们的身边，还密切地影响着我们的日常生活。

首先，根据“热胀冷缩”的原理可知，系统受热膨胀会导致密度减小，而受冷收缩则会导致密度增加，所以热的、密度小的物体总上升，相反冷的物体总会下降。而“对流”则是指液体或气体通过“热升冷降”而引起的传热方式，地球就是一个天然的对流系统。通常，地表水通过吸热蒸发而升入高空，遇冷后又放热并以雨、雪的方式落回地面。当对流现象较为激烈时，甚至会出现雷暴雨、冰雹等极端天气；地球表面的对流现象不仅能引起热量的传递，还能引起气流的相对运动，而孔明灯则充分利用了这种相对运动。孔明灯是一种源于三国时期用于通信、祈福或者娱乐的工艺品，灯体采用轻薄的纸张做成，里面悬挂一盏小灯。点燃后，灯体内的空气由于被加热而密度减小，所以会向上“热对流”，并会带动整个孔明灯升入空中；不过，当小灯熄灭后，灯体内的空气又会逐渐冷却，从而向下“冷对流”导致孔明灯最终掉落到地上。中国传统面点的蒸制也与“对流”现象有关，在对流蒸汽的加热作用下，蒸笼中的面点逐渐变得松软可口、香味四溢，而且越是在上层蒸笼中的面点熟得越快（图6.6）。在《西游记》狮驼岭一役，也曾出现一段与蒸笼有关的趣味场景。当时，妖怪们捉住了唐僧师徒四人，并准备将他们蒸了吃。在安放蒸笼时，一个妖怪的小头领是这么说的：“猪八戒不好烂，放在蒸笼最下层；唐僧皮白肉嫩，要放在最上面蒸。”孙大圣听了哈哈大笑，他跟沙和尚说：“但凡蒸东西都是从上面熟，小妖说八戒不好蒸放下面，真是个外行。”小妖听后恼怒不已，但还是坚持把八戒抬到了蒸笼的最上层，反而把唐僧放到最下层。这样看来，小妖确实是个厨房的外行，而对于孙大圣，还真可以说是“一个不能打妖怪的和尚一定不是一个好厨子”。

图6.6　蒸面点与热对流

水的对流现象还对水的结冰速度有一定影响，我们可以来做这样一个实验：有两杯清水，其中一杯是凉水，另一杯是热水。如果我们将这两杯水同时放入冰箱冷冻，会是哪杯水先完全结冰冻住呢？通常，人们都会觉得是凉水先结冰，但事实却是热水先结冰，这是什么原因呢？原来，凉水由于与冰箱内的温差相对较小而几乎没有杯内的对流，杯内水的热量释放途径被局限于传导和辐射，所以杯内水温的下降速度是非常缓慢的；相反，热水与杯壁的温差很大，所以杯内的水会向360°的各个方向发生对流循环。当靠近杯壁的水快速结冰时，杯子中心部位的水还很热，仍然不断地把热水通过对流循环送到杯壁上去冷却结冰，并导致热水杯内的水从外向内逐层冻住。又由于对流的传热速度远大于传导和辐射，所以热水的热量释放速度和降温速度更快，当然也就更容易结冰了。不过除了对流，也有人认为这个现象还与汽化、冰晶和相变潜热等概念有关，在此我们不再详述。(www.xing528.com)

相对于“对流”会产生较为激烈的视觉效果，“辐射”的传热效果则显得较为隐晦。从物理定义上看，“辐射”就是“物体（辐射源）以电磁波或粒子形式实现向外传热的一种方式”。对人类而言，最常见到的自然辐射源就是太阳了。正因为太阳的辐射可以传递热量，所以寒冷地区的人们总喜欢在户外晒太阳；同时在中国，人们在购买房屋时，也喜欢选择面向南方、能被阳光更多照射的“阳面房”。在现实生活中，人们对人造辐射源也有很好的应用。比如，冬天洗澡较冷，所以我们会给浴室安装“浴霸”，利用其类似于“太阳”的辐射加热原理，来避免人们在洗澡时受凉感冒；当然了，我们在卧室里常常用到的“小太阳”、电暖炉等取暖电器，也是同样应用到了辐射的传热方式。

其实，在寒冷天气，除了去户外晒晒太阳利用辐射来获取热量，我们还可以在家里用热水杯来暖手，而暖水袋则是睡觉时的最佳选择。其实，这就是传热的第三种形式：“热传导”。通常，热传导需要物体间直接接触，利用物体间的温度差来实现热量转移，是一种需要传热媒介的传热方式。根据这一原理，在寒冷的冬天，小动物们会紧紧地挨在一起，就是在利用热传导相互取暖、保持温度。同样的道理，企鹅妈妈会把蛋放在温暖的身下进行孵化，而怕冷的小企鹅也总会躲在妈妈的怀抱里。值得注意的是：热传导的传热效率与传热媒介有关，其中能高效传热的物质叫作“热的良导体”，而不能有效传热的物质则叫作“热的不良导体”。比如，在炎热的夏天，当我们直接坐在一张铁板凳上时，屁股会感觉比坐在一张木椅子上更凉。这就是因为铁是热的良导体，而木头是热的不良导体，铁能更快地导走我们身体的热量，所以与铁板接触的屁股会觉得更凉快。在寒冷的冬天，妈妈给小胖准备了一件厚厚的棉袄，小胖穿上之后就感觉很温暖。可问题是：棉袄并不会自动发热，那么究竟是谁给小胖带来了温暖呢？其实，棉袄的温暖来自小胖自己。原来，棉袄中含有大量蓬松的棉花，不仅棉花包括棉花缝隙中夹裹的空气都是热的不良导体，所以棉袄能很好地阻断身体向外界的热传导，从而达到保温的目的。从这个意义上看，雪花和棉花一样，都能夹裹大量空气，从而阻止热量的散发，所以冬天地面落下的大雪也会跟棉袄一样保持大地的温暖。对此，中国很早就流传一句谚语“瑞雪兆丰年”，这句话说的就是大雪能够保护冬小麦的秧苗不被冻坏，从而能有一个好收成。当然，除了保温，“瑞雪”的作用还在于可以冻死害虫以及化雪后为秧苗提供充足的水源。也正因为大雪的保温作用，所以我们在北方还能见到睡雪窝的人，睡在雪窝里甚至和睡在被子里的感觉是一样的温暖；当然啦，如果雪被压紧实变成冰块后，就不会再有保温作用，反而由于融化吸热而变成“热的良导体”了。

在很多现实情况下，传热并不仅仅依赖单一方式。比如，我们坐在篝火四周烤火，之所以感到温暖，既有源自篝火的辐射，也有篝火加热周围空气的热传导。而我们喜欢把手放到篝火上方而不是侧面去烤，则是很好地利用了对流的传热方式。又比如，我们在烧水时，火焰加热锅底，然后锅底通过热传导将热量传递给底部的水；同时，底部的水受热又会对流而上，并导致整个锅内的水都变热，所以烧水的初期水温上升较慢，而后期则显著变快。此外，根据传热的三个主要途径，人们还设计了保温瓶。首先，保温瓶口的木塞可以阻止水汽的热对流，防止热量直接散失。其次，保温瓶的内胆通常采用镜面，能有效阻止并反射开水所发出的辐射，防止辐射能损耗。最后，高级保温瓶的内胆一般还采用真空夹层的设计，通过传热媒介的消除来有效隔绝热传导；当然，一些售价便宜的保温瓶也可能采用空气夹层。这样一来，我们就可以获得一个具有良好保温性能的保温瓶了。