北京快三过年停几天

2019-06-27 16:22:20

文章来源:中科院物理所

撰文 Cloudiiink

热,宏观上来说物体的冷和热,但从微观上来说其实就是物质中所有无规运动的粒子的动能之和。因为原子核和电子的质量相差悬殊,所以这些动能主要都来自于原子核。提这一点是因为针对不同组分,可以有不同的温度概念,比如电子温度等。而这个概念在诸如核聚变等场合需要频繁用到。核聚变时内部已经变成了一个等离子体,核外电子摆脱了原子核的束缚。

估计大家肯定都听过:浙江温州浙江温州,最大皮革厂,江南皮革厂倒闭了!……我们没有办法,拿着钱包抵工资!原价都是一百多、两百多、三百多的钱包,通通二十块!通通二十块!其实在经典热力学里面,分子的无规运动动能也和“钱包”一样,通通打包贱卖……

在玻尔兹曼发展了热力学的统计理论以后,科学家们终于可以在理论上计算出特定温度下系统内能的大小。气体处于平衡态时,分子中任何一个自由度的平均能量都相等,均为 ? kT,这就是能均分定理[1]。这个结论的有趣之处在于统一了分子里面不同的运动自由度,原来是振动,转动,平动的能量,统统 ? kT!统统 ? kT!

虽然玻尔兹曼的统计理论非常完善,解释了实验上的很多现象,但还是面临了很大争论。最大的困难来自当时很多的科学家认为他的研究根基——原子和分子就不存在。这场争论持续了数年之久,在巨大的精神压力之下,最终玻尔兹曼在情绪失控中自缢身亡[2]。

热量是怎么自由奔跑的

传导、对流和辐射。这个估计大家都背过,被自然科学老师从小念叨到大。而这里面又可以分为两类,物质内传热和物质外传热。前面也提到了,内能实际上就是系统内的分子或原子无规运动的平均动能,比如固体中,原子一个紧挨着一个排列,那么动的更快的原子就会推动动的更慢的那些。而气体里面,这个过程就要难得到,这正是热传导。对流则主要发生在流体中,比如加热一壶水,从底部加热会比从上面加热要容易加热地多。因为如果从底部加热,热水上升,冷水下沉,加热会更有效率。

相比前面两者,辐射则并不那么直观。人们为了能够真正地理解辐射,最后一直整出来 bug 级别的量子力学这样的存在才完全理解。当然如果不去管背后太多复杂的东西的话,冬天里的烤火,晒太阳,都是通过辐射来获取热量的方式。通过电磁波来携带能量。

人到底有多热?

回到我们今天在最前面抛出来的问题上。关于人为啥会穿衣服,显然有很多社会学的因素,但是今天我们就从热学上来谈一谈这件事情。

平时,我们待的环境里面绝大多数都没有超过我们的体温,因此人体一直不断地在向外辐射热量。这个点其实挺出人意料的。在绝大多数时候,通过汗液蒸发等方式散热的都只是很小一部分,真正的占了最主要的部分,反而是我们平时都忽略掉的辐射散热。传导散热次之,而人体和空气通过热传导散热则几乎可以忽略不计。而辐射这么重要,就是因为其散热的功率,和温度的四次方成正比。

我们耳熟能详的宇宙里面的微波背景辐射,对应的温度只有 2.7K,需要用巨大的天线才能测量。而人体的体表温度接近 300K,单位面积辐射热量的功率是微波背景辐射的一亿倍。为了更详细地计算 [3],我们使用中国人群平均数据,体表面积约为 1.6㎡,人体核心温度为 37℃,体表温度通常为 33℃,人体站立姿态时有效辐射面积约为体表面积的 0.73 倍,环境温度 25℃,身体裸露时净辐射功率约为 55W。这个数目真的不小了。同样,我们也可以估计对流散热的功率约为 30W。

所以衣服到底有啥用?

很多文章里面都说,衣服的颜色其实很重要,穿不穿衣服也很重要。这在热学里面其实也是很有道理的。前面提到了热辐射占了主要因素,衣服的颜色越浅,其反射电磁波的能力也就越强,因此在户外的时候,大家都比较推荐穿浅色的衣服。

但其实真实情况比简单的分析要复杂,一个常常被大家忽略掉的因素是环境中的风速。曾经有文献系统地总结了鸟类的羽毛对其散热的影响[4]。鸟类和人类的散热也大致相当,辐射散热占据了半壁江山,另外半壁江山由对流占领。讲道理大自然中有这么多黑色的鸟,它们没被太阳晒死,风就占据了很大的功劳。因为黑色吸收了绝大部分的辐射热量,这些热量集中在羽毛的表层,只要环境风速较大,就可以迅速地把热量全部带走。

前面提到浅色的衣服反射电磁波的能力也比较强,所以它反射人体自己的辐射的能力也比较强,更多的热量反而返回给了人体,在外界风较大(>3m/s)的情况下,浅色衣服相比深色衣服就没有优势了[5] 。

不穿衣服直接在户外作业其实一点都不推荐,原因也很简单,宽松的衣服其实起到了很好的隔绝太阳辐射、吸收热量的作用。在空气流动之下,衣服的散热也远比身体表面散热要容易很多。

完了,以后没有理由裸奔了。

来源:武汉休闲快三第一套

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