热的三种传导方式及其实际应用.doc

读热的传导方式有感 我们大家都知道，热有三种传导形式：辐射、对流和传导。在我们的日常生活中，无时无刻不涉及到这三种热的传导方式，以下是我读了热的传导方式一文后的一些思考和体会。冬天人们为什么喜欢总是呆在室内？原因之一就是隔绝了室内和室外的热对流，从而保持了室内温度。但是，并不是冬天人们都喜欢在室内，雪过天晴，人们反而大批出动到户外滑雪，晒太阳，为什么反过来又喜欢户外活动？因为雪过天晴后有几个特点：第一，没有冷风对流，人们感觉不到冷；雪过天晴后低空和高空气压差减小，大气稳定；第二，太阳高照，辐射热源充足；雪过天晴后大气水汽减少，大气截留热辐射减少，照射到地面的热辐射增加，所以感觉格外暖和。同样，夏天的人们喜欢在户外活动，尤其是晚上喜欢在户外，白天喜欢在户内，根本原因还是对辐射热的反映。白天户外阳光强烈照晒，辐射热很大，同时紫外线也很强烈，所以躲避为妙。而到了晚上，由于室内温度高，因此辐射热（主要是红外热辐射）很强烈，而且室内各个墙面都在对室内空气加热，所以给人感觉很热（实际温度和外界相差不大），为了躲避红外热辐射，人们纷纷走出室内到户外。到户外后，人体散发的热辐射就可以直接散失到宇宙空间去，所以感觉户外凉爽。以上所讲实例都是对辐射热的反映。严格的说物理中热传递的方式只有辐射和传导两种。辐射是指热能从热源以电磁的形式（由光子传送）直接发散出去。辐射可以在真空中进行，不需要任何介质。辐射的传热效能取决于热源的材料以及表面的颜色。传导是指分子之间的动能交换，能量较低的粒子和能量较高的粒子碰撞从而获得能量（是透过物理的直接接触），传导是需要媒介的。实际上对流是有物质流动参与的热传导，由于物质流动，增大了液体/气体中的传热能力，比单纯的液体/气体导热的传热能力强，这意味着，热能是来自于被气体或者液体所包围热源，透过分子的移动来实现热能的传递的。但是为了研究方便，常常把对流当作一种独立的热传递方式来叙述和说明。所以，我们现在学的教科书多半是说三种热传递方式：传导、对流、辐射。专家学者的观点是：传热介质不流动的传导传导，传热介质流动的热传导对流。由此我想到了一个热对流的例子，在我国北方城镇居民家中普遍使用的暖气就是利用热对流取暖的典型。其实，暖气系统是充分利用了材料的热学性质的，首先暖气的炉子和供热对象要分开，原因是暖气要消耗大量的煤，一方面煤燃烧产生废气，废气排出会带走大量的热，废气也会给人带来毒素，另外煤在室内燃烧会污染环境，熏黑房子，所以烧热和用热分开是必要的。在城镇里一般都由专门的供暖公司用锅炉对水进行加热。第二，人们在把暖气供给用户的管道上是做了很大文章的，用石棉防护层保护热水管道，由于石棉的导热率很小，导温率也很小，所以能够很好地保持热量不散失；第三，人们用金属散热片，散热片的面积很大，比热很小，导温率很高，这样只要管道中的水温比外界高一点点，散热就能持续进行，室内温度就能升高。所以，散热快慢不在于炉子的煤加多少，不在于炉子温度是多少，而在于中途不散热，目的地散热快慢。散热的快慢决定于两个因素，第一是散热片很多就散热快，第二是管道中热介质（水）的流动速度快就散热快，室内温度自然就高。为了增加管道中热介质（水）的流动速度，人们总是把管道倾斜安装，但是老实说这种作法的作用是有限的，最好的办法就是进行人工加速，在管道中装入一个微型水泵（也叫管道泵），水流速度会大大加快，从而散热效果会大幅度提高。所以，应该说微型水泵（也叫管道泵）是暖气中必须的配件。没有管道泵就必然多浪费许多煤。暖气供热会使得室内各个地方对流充分，不会有冰冷的死角。但是用炉子供热或者电暖器就大不相同，在距离炉子近的地方就暖和一些，距离炉子远的地方就更加寒冷。这就是辐射热的缺点，辐射热只能直线传播，在热源照射不到的地方不产生热效应。同样的原理，人们普遍采用对流的方法制冷。在炎热的夏季人们一般都是用冷气往室内灌输使得室内温度下降，夏季制冷基本没有人利用“冷源辐射”的办法，因为这种办法的效果很不理想。所以，如果可能的话，夏季制冷完全可以仿照冬季的暖气系统，采用“中央制冷器”，集中供应冷气，它的成本远远比冬季供热低。再说热传导的实例。北方人的热炕就是热传导的最典型的例子。炕就是人们把柴草直接放到炕面子下面，直接点火烧炕面子，把炕面子烧热了就行了。俗话说“狗暖嘴，人暖腿”，炕是北方人最节省能源的供热方式。它最节省柴草，但是热效果也很好。实际上就热了炕面子那么大一块地方，进入家里还是很冷，但是坐到炕上就大不相同。炕也很保暖，人们在烧完炕以后就把炕火口塞起来，这样热流动减少，热能流失就慢，炕就冷的速度慢。在炕上总是铺着褥子，盖着被子，这样从上面散热的速度也大大下降。所以北方农村的人们一天用很少的柴火仅仅烧一次炕就能过冬。是世界上最节省能源的供热设施。热的传导方式一文还告诉我们在实际生活中如何高效科学地利用热的辐射、对流和传导三种传导方式。一般来说，辐射的热效果最差，对流的热效果最好，热能源利用率最高。辐射热的特点是：第一，传播过程中热损失最小，但是空气中的水汽、甲烷和二氧化碳都是吸收热的高手，所以室内的炉子加热空气的效果不好，空气可能还是冷的。第二，辐射只对物体表面产生热效应，对于内部不能产生作用，因此炉子加热的热分布是很不均匀的，有的地方热有的地方冷。第三，热辐射对生物还有其它作用，例如日光可以促进维生素的吸收等。热传导的作用取决于传导介质的导热率、导温率和热容量。如果传导介质的热容量很大，那么热资源的浪费就很严重。如果传导介质导热率、导温率很低，则不宜导热。 由于热的不良导体有保温效果，所以往往用来做保温材料，而热的优良导体往往用来做散热材料。两种材料相得益彰才能作出良好的空调系统，包括暖气系统和制冷系统。三者当中，对流的效果最好，它可以把小范围内的空气很快搅和均匀，不留死角。人们在发现以上原理后，就制作了空调系统，用热风代替烘烤。而要加大对流速度和效果，其方法和蒸发方法一样：增大接触面积，增加温度，用热的优良导体，增加高度差，增大热的导热介质的流动速度。这些都在实际中得到应用。热的辐射、对流和传导的效果不同源自于热的几个定律。第一个是基尔荷夫定律（kirchhoff），它表明：在一定波长、一定温度下，对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。同一物体在温度T时它放射某一波长的辐射。那么，在同一温度下也吸收这一波长的辐射。所以，在辐射传热过程中，热辐射的波长并不是全波段的，而是根据温度变化而变化的，并不是我们需要什么波段的辐射就释放此波段的辐射。第二个是斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律。由实验得知，物体的放射能力是随温度、 波长而改变的。随着温度的升高，物体放射的总能量也会显著增大。这个定律告诉我们：要获得好的热效果，必须极大幅度地增加温度，这样放热体的放射能力才能极大地提高。比如，要把辐射强度从室温15（即288K）提高一倍，那么炉子温度就要增加到342.5K，即增加到70摄氏度；要提高3倍，就要把温度提高到379K，即增加到91摄氏度。所以增加辐射热的最有效办法就是高温。但是高温又会引起热量的无辜散失，因此在供暖系统中火不要烧得太旺。第三个是维恩（Wein）位移定律。它表明，物体的温度愈高，其单色辐射极大值所对应的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其辐射的波长则愈