只有这棉被还有点温暖 神奇的热导率:冰凉瓷砖上与温暖的棉被为什么如此不同

长生门

分享人:长生门

2017-07-08 | 阅读:手机版

   
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冬天,当我们躺在暖暖的被窝里,会觉得不那么冷了,而起床时,要穿上厚厚的棉拖,否则,冰凉的瓷砖,会传来刺骨的冷。而炎热的夏天里,当我们赤脚走在瓷砖上,却能感受到从脚底传遍全身的凉意,分外凉爽。为什么棉被和瓷砖会带给我们如此不同的感受呢?

神奇的热导率

原来,无论是棉被还是瓷砖,它们和水流、电流一样,其中都存在热流。我们知道,热流传导的方式,是温度高的地方流向温度低的地方。当我们感觉到冷热时,说明,我们的皮肤接触到了物体,并通过散热的方式传递热量。

那么用什么来衡量传递热量的能力呢?答案就是热导率。热导率是指物体的导热能力,导热能力越强,热导率就越大,反之就越小。一般来说,金属材料的热导率最高,液体次之,气体最小。

举一个很简单的例子。我们取相同温差、相同面积的瓷砖和棉被。当我们赤脚站在上面时,会觉得瓷砖更凉一些。原因就在于:虽然温差和接触面积相同,但瓷砖的热导率约为棉被的22倍,所以,站在瓷砖上的时候,脚上散失的热量就约为站在棉被上的22倍。瓷砖散失皮肤热量的本领远大于棉被,我们当然就会觉得站在瓷砖上感觉更冷一些。

赤脚站在地砖上

热导率受温度的影响很大

热导率受什么因素影响较大呢?

通常来讲,绝缘体自由电子数目很少,因此一般比较隔热。而在金属材料中,自由运动的电子数目众多,在电导率较大的同时也具有较大的热导率,因为电子与金属离子碰撞,能迅速传递热量。

温度对热导率的影响很大。动物的毛皮和人类的衣服都是热的不良导体,保暖内衣还加了一层比较隔热的超薄热熔膜,或者其他特殊隔热材料。但是,自然界最硬的材料金刚石也是绝缘体,但热导率却很高。

这是因为,在金刚石的内部,碳原子排列非常紧密,因此碳原子热振动的传递非常快。相比之下,其他绝缘体中原子热振动的传递要慢得多,同时参与导热的电子数目又很少,因此热导率要小得多。

大部分隔热材料都是塑料、橡胶、玻璃和陶瓷等。比如屋顶上选择铺石棉瓦来隔热,就是用来隔绝阳光直射带来的热量,以避免屋内过热;聚四氟乙烯材料具有绝缘好、导热差、耐高温和低温、耐腐蚀等优势,水立方上面的蓝色“泡泡”就是用它做成的。因为,纯金属和大多数液体(水除外)的热导率会随着温度的升高而降低;非金属和气体的热导率随温度的升高而增大。

石棉瓦

鲨鱼鼻子里的胶体

托马斯·约翰·塞贝克(也有译做“西伯克”),1770年生于塔林(当时隶属于东普鲁士,现为爱沙尼亚首都)。1820年初期,塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。1821年赛贝克发现,有些材料在没有电压的情况下,电子也能从热端流向冷端,形成电流,这就是热电效应,该效应可以用来发电。美国旧金山大学的一位科学家发现:鲨鱼鼻子里的一种胶体,能把海水温度的变化转换成电信号。

科学家在英国《自然》杂志上报告说,他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普通明胶相似的胶体,发现它对温度非常敏感,细微温度的变化都会使它产生明显的电压变化。

哺乳动物是靠细胞表面的离子通道感知温度:外界温度变化导致带电的离子进出通道,产生电流,刺激神经,从而使动物感知冷暖。与哺乳动物的这种方式不同,鲨鱼利用胶体,不需要离子通道也能感知温度变化。

挠鲨鱼的鼻子使鲨鱼精神恍惚

鲨鱼鼻子的皮肤小孔布满了对电流非常敏感的神经细胞,海水的温度变化使胶体内产生电流,刺激神经,使鲨鱼感知到温度差异。科学家认为,借助这种胶体,鲨鱼能感知到0.001摄氏度的温度变化,这有利于它们在海水中觅食。

科学家猜测,其他动物体内也可能存在类似的胶体,这种因温差而产生电流的性质与半导体材料的热电效应类似,人工合成这种胶体,有望在微电子工业领域获得应用。

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