热传导如何传递能量
热量能在固体里穿行,而材料本身却一动不动。原子被锁在原地,却一直在振动,并且把能量一个接一个地交给邻居——跟着虚线箭头,从热端的火焰一路看到冷端的散热片。
热量能在固体里穿行,而材料本身却一动不动。原子被锁在原地,却一直在振动,并且把能量一个接一个地交给邻居——跟着虚线箭头,从热端的火焰一路看到冷端的散热片。
热传导是能量靠材料自身粒子的振动穿过材料的方式,材料本身完全不动。把一根金属棒一端加热,另一端最终也会变热——可并没有任何金属从这头流到那头,流动的只有能量。
金属棒从热端的橙色过渡到冷端的蓝色,显示温度沿棒下降。棒内一排原子由键相连:离火焰最近的振动剧烈,远端的几乎不动。橙色虚线箭头表示能量被传递的方向,永远由热到冷;下方的温度刻度讲的也是同一件事。
热传导在我们身边无处不在:锅具、电子设备里的散热片、房屋的墙体。理解它,就能解释为什么搅拌时金属勺柄会发烫、为什么保温墙能减缓散热、为什么电脑需要风扇——这些都是关于如何控制能量散出快慢的问题。
火焰把能量送到金属棒的左端。这份能量使那里的原子振动得更剧烈——而振动更剧烈,正意味着温度更高。
原子无法离开它在点阵中的位置,但也从不静止:它围绕一个固定点不停晃动。较热的原子晃动幅度比冷原子更大。
剧烈振动的原子挤压邻居,把自己的一部分能量递过去。邻居于是振动得更厉害,再推下一个,能量就这样沿棒一路传下去——是被材料传递,而不是被材料搬着走。
能量总是从较热处传给较冷处,并在传的过程中沿棒逐渐摊开。结果就是温度由热端到冷端平滑下降——也就是你看到的那条沿金属铺开的颜色渐变。
在远端,带鳍片的散热片把能量交给周围的空气。靠传导到达的能量与通过散热片离开的能量相平衡,因此这一端保持稳定的低温,而热流却在持续流动。
热传导是靠材料自身粒子的振动来传递能量,而材料本身并不移动。一个振动剧烈的热原子推一下邻居,邻居再推下一个,能量就这样从热端一路传到冷端。
原子位置固定,但并不会静止——每个原子都围绕平衡位置振动。剧烈振动的原子推挤邻居,使邻居的振动也加快,就像一排人挨个把消息传下去。
金属里有可以自由移动的电子,能穿过整块金属,而不只是固定在点阵里的原子。这些自由电子能迅速带走能量,所以金属勺子比木勺子热得快得多。
单独情况下不会。传导永远从较热处流向较冷处,一旦两端温度相同就停止。要让热反向流动必须额外做功,就像冰箱那样。
三个因素:材料的导热系数、棒的横截面积,以及沿棒的温差陡峭程度。棒越粗、材料越会导热、两端温差越大,能量就传得越快。
因为那一端的散热片不断把能量散到空气中。靠传导到达的能量与通过散热片离开的能量相平衡,所以那一端稳定在一个较低的温度。