神奇的熱導率:冰涼瓷磚上與溫暖的棉被為什麼如此不同
冬天,當我們躺在暖暖的被窩裡,會覺得不那麼冷了,而起床時,要穿上厚厚的棉拖,否則,冰涼的瓷磚,會傳來刺骨的冷。而炎熱的夏天裡,當我們赤腳走在瓷磚上,卻能感受到從腳底傳遍全身的涼意,分外涼爽。為什麼棉被和瓷磚會帶給我們如此不同的感受呢?
神奇的熱導率
原來,無論是棉被還是瓷磚,它們和水流、電流一樣,其中都存在熱流。我們知道,熱流傳導的方式,是溫度高的地方流向溫度低的地方。當我們感覺到冷熱時,說明,我們的皮膚接觸到了物體,並通過散熱的方式傳遞熱量。
那麼用什麼來衡量傳遞熱量的能力呢?答案就是熱導率。熱導率是指物體的導熱能力,導熱能力越強,熱導率就越大,反之就越小。一般來說,金屬材料的熱導率最高,液體次之,氣體最小。
舉一個很簡單的例子。我們取相同溫差、相同面積的瓷磚和棉被。當我們赤腳站在上面時,會覺得瓷磚更涼一些。原因就在於:雖然溫差和接觸面積相同,但瓷磚的熱導率約為棉被的22倍,所以,站在瓷磚上的時候,腳上散失的熱量就約為站在棉被上的22倍。瓷磚散失皮膚熱量的本領遠大於棉被,我們當然就會覺得站在瓷磚上感覺更冷一些。
赤腳站在地磚上
熱導率受溫度的影響很大
熱導率受什麼因素影響較大呢?
通常來講,絕緣體自由電子數目很少,因此一般比較隔熱。而在金屬材料中,自由運動的電子數目眾多,在電導率較大的同時也具有較大的熱導率,因為電子與金屬離子碰撞,能迅速傳遞熱量。
溫度對熱導率的影響很大。動物的毛皮和人類的衣服都是熱的不良導體,保暖內衣還加了一層比較隔熱的超薄熱熔膜,或者其他特殊隔熱材料。但是,自然界最硬的材料金剛石也是絕緣體,但熱導率卻很高。
這是因為,在金剛石的內部,碳原子排列非常緊密,因此碳原子熱振動的傳遞非常快。相比之下,其他絕緣體中原子熱振動的傳遞要慢得多,同時參與導熱的電子數目又很少,因此熱導率要小得多。
大部分隔熱材料都是塑料、橡膠、玻璃和陶瓷等。比如屋頂上選擇鋪石棉瓦來隔熱,就是用來隔絕陽光直射帶來的熱量,以避免屋內過熱;聚四氟乙烯材料具有絕緣好、導熱差、耐高溫和低溫、耐腐蝕等優勢,水立方上面的藍色「泡泡」就是用它做成的。因為,純金屬和大多數液體(水除外)的熱導率會隨著溫度的升高而降低;非金屬和氣體的熱導率隨溫度的升高而增大。
石棉瓦
鯊魚鼻子里的膠體
托馬斯·約翰·塞貝克(也有譯做「西伯克」),1770年生於塔林(當時隸屬於東普魯士,現為愛沙尼亞首都)。1820年初期,塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關係。1821年賽貝克發現,有些材料在沒有電壓的情況下,電子也能從熱端流向冷端,形成電流,這就是熱電效應,該效應可以用來發電。美國舊金山大學的一位科學家發現:鯊魚鼻子里的一種膠體,能把海水溫度的變化轉換成電信號。
科學家在英國《自然》雜誌上報告說,他從鯊魚鼻子的皮膚小孔里提取了一種與普通明膠相似的膠體,發現它對溫度非常敏感,細微溫度的變化都會使它產生明顯的電壓變化。
哺乳動物是靠細胞表面的離子通道感知溫度:外界溫度變化導致帶電的離子進出通道,產生電流,刺激神經,從而使動物感知冷暖。與哺乳動物的這種方式不同,鯊魚利用膠體,不需要離子通道也能感知溫度變化。
撓鯊魚的鼻子使鯊魚精神恍惚
鯊魚鼻子的皮膚小孔布滿了對電流非常敏感的神經細胞,海水的溫度變化使膠體內產生電流,刺激神經,使鯊魚感知到溫度差異。科學家認為,藉助這種膠體,鯊魚能感知到0.001攝氏度的溫度變化,這有利於它們在海水中覓食。
科學家猜測,其他動物體內也可能存在類似的膠體,這種因溫差而產生電流的性質與半導體材料的熱電效應類似,人工合成這種膠體,有望在微電子工業領域獲得應用。
作者: 科學原理一點通[責任編輯: 呂芮光]
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