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舊時航天高科技,現在天天手中拿——神奇的熱管

今天要介紹的是一種曾經用於航天領域,現在已經普及到幾乎每個家庭的神奇設備——熱管。通常我們接觸的熱管多為銅質,最典型的就是下面這種,一根看似普通的銅管:

熱管是一種導熱設備,用於將熱能從一個地方快速高效的傳遞到另一個地方,用一句流行的話說,熱管不散熱,它只是熱量的「搬運工」。相比於同材質的金屬管,熱管的導熱效率能高十倍以上。

吹的那麼玄,熱管是不是真的有那麼厲害?口說無憑,咱們做一個實驗來領略一下熱管的本領。

我們準備了一根14厘米長,直徑6毫米的熱管,與一根同樣長度、同樣直徑的銅管做對比,通過觀察熱管與銅管上的蠟融化的先後順序,看一看它們誰的導熱速度更快。

左邊是銅管,右邊是熱管。實驗時,向中間的杯子里倒入開水。

當熱量傳遞到蠟滴的位置後,蠟滴會融化

將熱管與銅管插到紙杯中,倒入開水:

熱管果然名不虛傳!那麼,熱管為什麼能這麼快的導熱呢?

仔細觀察熱管的形狀,我們會發現它是一個兩端封閉的結構:

打開熱管後,能看到熱管的內壁並不是光滑的,以我們最常見的「燒結」型熱管為例,它的內壁是疏鬆多孔的結構:

熱管內還充有水或者其它液體,稱作「導熱工質」。

封閉、內部真空、內壁呈疏鬆多孔狀,還有其中的液體,這些都是熱管能夠快速傳熱的奧秘所在。在它們的共同作用下,熱管內部能形成一個「導熱循環」:當熱管的一端升溫時,內部的液體吸熱並氣化膨脹,在壓力的作用下向熱管的另一端移動,到達另一端後因為遇冷而放出熱量,溫度降低,重新液化,又在內壁的多孔結構產生的毛細作用下,沿外壁流回升溫的一端,形成一個完整的循環。熱量就是在這種循環中,被源源不斷的從一端搬運到另一端。

維持這種循環的條件是熱管兩端存在溫度差,當熱管兩端的溫度一致時,循環會停止,因此實際應用時會在熱管的一端接上散熱設備。

最原始的熱管在蒸汽機時代就已出現,是利用重力實現的工質循環,而非毛細作用。1963年,洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家研製出了利用毛細作用完成循環的熱管並申請了專利。熱管起初被用在航天領域,以解決衛星等航天器在太空中受熱不均的問題,後來熱管被應用到方方面面,幾乎凡是需要高效導熱散熱的地方都能見到熱管的身影。到了近些年,隨著電腦、智能手機的普及,作為散熱系統中起導熱作用的重要一環,熱管已經普及到千家萬戶。

手機中的熱管,實際使用時的熱管不全是圓柱形,尤其在手機中,多為扁片狀

你此刻拿著的手機,就很可能使用了熱管的導熱技術。

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