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