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综述
如果你要问一个小孩,1000斤的棉花和1000斤的铁谁更重?他会回答一样重,但是你要问他,30度的水和30度的暖气,谁更让你感觉温暖,他估计会被卡住。
难道两种一样的温度,给人的感觉不应该是一样的吗?然而事实确实不一样,我们在用30度的水洗澡时,能切实感觉到冷,而30度的暖气却让人感觉很热。这是为啥呢?
热的传递
想要了解同为30度,为何水比暖气更冷,那就要先了解热是如何传递的。
热量是一种能量,可以从高温处传递到低温处。 在物理学中,有三种主要的热量传递方式: 传导、对流和辐射 。
传导传导是指 热量通过物体内部的分子之间的碰撞传递的方式 。
当一个物体的一部分受热时,其分子会加速运动并向周围分子传递热量,直到整个物体达到热平衡。
传导的速度 受到物体材料的热传导系数、表面积、温度梯度等因素影响。
常见的例子包括用铁锅煮水,铁锅会被加热,然后将热量传递给水;或者在冬天里,坐在金属椅子上寒冷无比,因为金属能够很快地将体温带走,而且金属的热传导性能非常好。
对流对流是指 由于物质的流动而造成的热量传递 。
当液体或气体受热时,分子会膨胀,密度减小,向上升起,然后在降温时下降,形成热对流环路。 对流传热的速度受到物质密度、温差、流速等因素影响。
常见的例子包括空气加热器,其内部的电加热线圈加热空气,然后将加热后的空气通过扇叶吹出;或者在煮沸水时,沸腾是因为液体局部加热引起的对流。
辐射辐射是指 热量以无物质媒介的形式传递,通过电磁波的形式进行。
所有温度高于绝对零度的物体都会辐射热量。 这种热量传递方式不需要接触直接作用,可以穿透真空和透明材料,如空气、玻璃等。
辐射传热与物体表面颜色、粗糙度、温度、距离等因素有关。 常见的例子包括太阳辐射热能到地球上,地球表面也会发出红外辐射以散发剩余热量;或者在微波炉中,食物被电磁波加热。
水和暖气
由于水的传热主要依赖于对流,当我们接触到水时,会感觉 到周围的水分子以较快的速度运动并不断冲击我们的皮肤 。这种 冲击会将能量转移到我们的皮肤表面,导致我们感觉到温度变化。
然而,由于水的热容量相对较大,它需要吸收更多的热量才能使温度升高一个单位。因此, 即使是相同温度的水,当我们接触到它时,我们所感受到的热量可能会比暖气少。
与此相反 ,暖气的传热方式主要依赖于辐射。 暖气发出的红外线可以直接穿透空气并被我们的皮肤吸收,从而使我们感觉到温暖。
这种辐射传热方式是一种非常有效的热传递方式,因为它 可以直接将热量传递给我们的身体而无需经过空气的循环。
因此,虽然水和暖气的温度相同,但它们对人体的传热方式不同,因而在我们的感知中他们所产生的温度感受也不同。
比如夏季时,在室外喝冰水和在室内喝热饮料的感受。尽管两种饮料的温度可能相同,但 由于它们对人体的传热方式不同,我们会感受到完全不同的体验。
那么人类是如何感受温度的呢?
人类的感温计
人体感受温度的机理涉及到热感受器和冷感受器。 热感受器和冷感受器分别位于我们皮肤的不同层次,并通过神经元与我们的大脑交流,从而帮助我们感受周围环境的温度。
热感受器主要位于我们皮肤内部。 当我们的皮肤接触到较高温度的物质时,其中的热能会刺激热感受器,从而产生一种热感。这些 热感受器主要响应在25-47摄氏度范围之内的温度变化。
当我们的皮肤接触到超过这个温度范围的物体时,我们 会感觉到灼热或疼痛的感觉 。因此,热感受器可以帮助我们感知周围环境中的高温情况,并促使我们适时采取行动。
相反, 冷感受器则主要位于我们皮肤表面,响应在17-28摄氏度范围内的温度变化。 当我们的皮肤接触到较低温度的物质时, 冷感受器会被刺激,从而产生一种冷感。
当我们的皮肤接触到低于这个温度范围的物体时,我们则会感觉到刺骨的寒冷。 冷感受器可以帮助我们感知周围环境中的低温情况,并促使我们采取相应的措施来保持身体温暖。
人体之所以对不同物体温度的感受会有所不同,这全靠我们的冷热感受器, 它们能感知到不同物体的传热方式和速率,并将其转化为热或冷感觉。 这种差异涉及到物体的热容量、热导率等因素。
比如热容量,热容量是指物体单位质量的热能变化所需的热量。当我们接触到具有较大热容量的物体时,它们需要吸收更多的热量才能使温度升高一个单位。
因此, 即使与相同温度的物体接触,我们所感受到的热量可能会有所不同。 例如,在夏天中午,人们在接触路面和草地时会有不同的感觉,这是因为路面的热容量更大,因此从路面传递给人体的热量更多。
另外 热导率也影响着我们对物体温度的感受。 热导率是指 物体传递热量的能力,通常取决于物体的材料和密度等因素。
当我们接触到具有较高热导率的物体时,它们 能够更快地将热量传递给我们的皮肤,从而产生更强的热感觉。 例如,在冬季,我们会发现金属材料的触感比木材或织物等材料更冰冷。
不过除了热感受器和冷感受器之外,我们的大脑还可以通过其他方式来感知周围的温度变化,如空气流动、湿度等因素。 这些因素不仅可以影响我们对周围环境的感知,还可以影响我们的舒适感和健康。
比如,在潮湿的环境中,水分子会吸收热量,从而减缓热量的传递速度,因此30℃的潮湿环境中,人会感觉到闷热。
但 当风速增大时,风能够带走周围的热量,使得我们感觉更加凉爽。 因此,在使用空调或者电风扇的环境中,虽然同样是30℃的温度,却会让人感觉比较温暖舒适。
这也解释了,为何北方的30度或许就要比南方的30度更舒适的原因。
结语
虽然看似简单的问题,但其实背后蕴藏着复杂的热量传递的学问。 了解热量传递方式及其影响因素对于我们理解自然现象、改善生活质量都非常重要。
在实际生活中,我们可以通过调节环境条件,例如控制室内湿度和风速等,来改善热量传递效果,从而提高舒适度。另外, 合理使用暖气、保持良好的通风和使用保暖衣物等也都是调节室内温度的有效方法。
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