生活中我們是否經(jīng)常會(huì)有這樣的疑問(wèn)，例如，冬天的棉被經(jīng)過(guò)拍打之后為什么感覺(jué)特別暖和?為什么要及時(shí)清除冰箱內(nèi)的結(jié)霜，否則耗電量會(huì)增加?住新房為什么感覺(jué)比住舊房更冷?其實(shí)這些現(xiàn)象都離不開一個(gè)重要的物理量——導(dǎo)熱系數(shù)。那么什么是導(dǎo)熱系數(shù)呢?它的研究經(jīng)歷了哪些階段?上面提到的現(xiàn)象到底該如何解釋?不要急，我們先從導(dǎo)熱系數(shù)的研究史說(shuō)起——導(dǎo)熱系數(shù)的研究歷史。
說(shuō)起對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的研究，那要追溯到18世紀(jì)30年代。英國(guó)工業(yè)革命催生了“傳熱學(xué)”的興起。
我們都知道，熱量傳遞有三種方式——傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射。這三種傳熱方式的基本理論的確立，都經(jīng)歷了一個(gè)特別的過(guò)程。為了方便大家理解，就來(lái)扒一扒它們的研究史吧!
一、導(dǎo)熱研究
18世紀(jì)至19世紀(jì)初，英國(guó)化學(xué)家布萊克提出“熱素說(shuō)”，認(rèn)為熱是一種沒(méi)有質(zhì)量，沒(méi)有體積的流體物質(zhì)，熱素可以進(jìn)入一切物體內(nèi)部，物體含有熱素越多，溫度就越高，反之則越低。這顯然是一種錯(cuò)誤的解釋，因?yàn)樗荒芙忉屇Σ辽鸁岬默F(xiàn)象。
1798年，倫福特鉆炮筒大量發(fā)熱試驗(yàn)和1799年的戴維用兩塊冰摩擦生熱轉(zhuǎn)化為水的實(shí)驗(yàn)，推翻了這一假說(shuō)，確立了熱源來(lái)源于物體本身內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。
1804年，畢渥根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了每單位時(shí)間通過(guò)每單位面積的導(dǎo)熱熱量正比于兩側(cè)表面溫差，反比于壁厚，比例系數(shù)是材料的物理性質(zhì)。
1822年，傅里葉發(fā)表《熱的解析理論》，正確概括了導(dǎo)熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，被稱為“傅里葉定律”，公式如下：
其中為單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，A為熱量通過(guò)的截面積，為垂直于截面上的溫度變化率。
他推導(dǎo)的導(dǎo)熱微分方程是導(dǎo)熱問(wèn)題正確的數(shù)學(xué)描寫，成為求解大多數(shù)工程導(dǎo)熱問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。因此，傅里葉被公認(rèn)為導(dǎo)熱理論的奠基人。
傳導(dǎo)過(guò)程的特點(diǎn)是物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，依靠分子，原子及自由電子的熱運(yùn)動(dòng)傳遞能量。固體，液體，氣體都會(huì)發(fā)生熱傳導(dǎo)。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)于導(dǎo)電的固體(如金屬)來(lái)說(shuō)，自由電子的運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)熱過(guò)程中起著主要的作用。
二、對(duì)流傳熱
1823年，維納提出流動(dòng)方程可以適用于不可壓縮的流體，該方程1845年經(jīng)斯托克斯完善，建立了流體流動(dòng)的基本方程。
1880年，雷諾提出一個(gè)無(wú)量綱的物理群(雷諾數(shù))概念，1880-1883年間，雷諾進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流動(dòng)層流向湍流的轉(zhuǎn)變發(fā)生在雷諾數(shù)1800~2000之間，該發(fā)現(xiàn)對(duì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。
1904年，普朗特提出邊界層的概念。
1909年和1915年，努賽爾發(fā)表兩篇論文對(duì)強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流的基本微分方程及邊界條件進(jìn)行量綱分析，獲得了有關(guān)無(wú)量綱數(shù)之間的原則關(guān)系。
1921年，波爾豪森在流動(dòng)邊界層概念的啟發(fā)下又進(jìn)行了熱邊界層的研究。1930年，他與施密特與貝克曼合作，成功求解了豎壁附近空氣的自然對(duì)流傳熱。
單純的流體的對(duì)流傳熱過(guò)程與傳導(dǎo)過(guò)程不同，它是物體各部分之間發(fā)生了相對(duì)位移，如熱對(duì)流，熱的氣體向上擴(kuò)散，冷的氣體向下沉積，達(dá)到傳熱的效果。
三、輻射傳熱
1889年，盧默等人測(cè)得了黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
19世紀(jì)末，斯特潘和玻爾茲曼建立了著名的斯特潘——玻爾茲曼定律，即黑體輻射力與絕對(duì)溫度的四次方成正比的規(guī)律。
1900年，普朗克提出了“能量子”假說(shuō)，即認(rèn)為能量并不是連續(xù)的，而是一份一份的傳播。
熱輻射過(guò)程的特點(diǎn)是，它是自然界各種物質(zhì)通過(guò)電磁波的形式傳遞熱量的一種方式，這種方式與傳導(dǎo)和對(duì)流不同的特點(diǎn)是不需要介質(zhì)，真空條件也可以進(jìn)行熱輻射，其熱輻射的能力取決于物體的溫度。
導(dǎo)熱系數(shù)與我們生活的密切聯(lián)系
嘮完了導(dǎo)熱系數(shù)的研究歷史，相信大家對(duì)它有了一個(gè)初步的了解，接下來(lái)我們就要進(jìn)入今天的重頭戲了——開篇提到的幾個(gè)生活現(xiàn)象，到底跟導(dǎo)熱系數(shù)有著怎樣的關(guān)系呢?想知道的小伙伴們，跟著一起往下看吧!
問(wèn)題1：冬天，棉被經(jīng)過(guò)曬后拍打，為什么覺(jué)得特別暖和?
對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解釋，首先很自然的想到太陽(yáng)曬過(guò)后，棉被變暖和，是因?yàn)樘?yáng)光(電磁波)的輻射傳熱。可是，如果是在冬天的早上，沒(méi)有陽(yáng)光或者陽(yáng)光不強(qiáng)的時(shí)候，為什么通過(guò)拍打棉被也可以使得棉被變暖和呢?
原來(lái)，經(jīng)過(guò)拍打之后的棉被，大量的空氣進(jìn)入棉絮空間，使得棉被變的蓬松，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于棉絮的導(dǎo)熱系數(shù)，這樣使得棉被整體的導(dǎo)熱系數(shù)比拍打前降低很多。導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫效果就越好，因此，拍打棉被可以提高棉被的保溫效果，所以即使在陽(yáng)光不充足的情況下，棉被也會(huì)變得更加保暖。
問(wèn)題2：為什么要及時(shí)清除冰箱里的結(jié)霜，否則耗電量會(huì)增加?
對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解釋，主要應(yīng)考慮“結(jié)霜前”與“結(jié)霜后”冰箱發(fā)生的變化。冰箱的制冷主要是通過(guò)液態(tài)的制冷劑流減壓后汽化吸熱，在蒸發(fā)器中通過(guò)蒸發(fā)器的管壁傳遞熱量至熱的空氣，使得冷藏室或冷凍室的熱空氣溫度降低，這里面存在蒸發(fā)器的管壁和熱空氣的換熱過(guò)程。如果冰箱冷藏室或冷凍室的壁面溫度很低時(shí)，熱空氣會(huì)遇冷凝華，直接從氣態(tài)變成固態(tài)，即“結(jié)霜”，所產(chǎn)生的“霜”在蒸發(fā)器和熱空氣之間形成了一個(gè)熱阻，因此，要使得冷藏室或冷凍室達(dá)到相同的溫度，必須使得空氣壓縮機(jī)的功率提高，這樣才能獲得溫度更低的制冷液，以及制冷液的汽化吸熱量。因此，當(dāng)冰箱結(jié)霜時(shí)，如不及時(shí)清除結(jié)霜，耗電量會(huì)增加。
問(wèn)題3：住新房和住舊房的感覺(jué)是否一樣?
我們是否會(huì)有這樣的感受，剛剛蓋好的新房，裝修入住時(shí)會(huì)感覺(jué)很冷，而住老房子反而會(huì)感覺(jué)暖和點(diǎn)?其實(shí)，這里也蘊(yùn)含著導(dǎo)熱的知識(shí)。新房和舊房的差別主要體現(xiàn)在建筑材料的含水上。新房由于剛剛建好，其混凝土，還有各種涂料都含有較多的水分，這些水分填充在磚瓦的孔隙中，使得墻壁整體的含水量較高。而住的老舊的房子，這些水分都得到充分的揮發(fā)。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)(0.6W/(m?K))遠(yuǎn)大于空氣(0.026W/(m?K))，所以使得含水墻壁的導(dǎo)熱系數(shù)(1.0W/(m?K))大于干燥墻壁的導(dǎo)熱系數(shù)(0.35W/(m?K))。
問(wèn)題4：在寒冷的北方地區(qū)，建房磚采用實(shí)心磚還是空心磚好?
這個(gè)問(wèn)題的解釋與問(wèn)題1類似，主要問(wèn)題在于空心磚中含有大量的空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于磚本身的導(dǎo)熱系數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)越小，墻體的保溫效果就越好。因此，采用空心磚更能起到保溫的作用。其實(shí)，在建筑設(shè)計(jì)方面，建筑保溫是一項(xiàng)重要的考慮因素。除了磚以外，其它的例如地面保溫、室內(nèi)墻體保溫、屋頂、外墻保溫，應(yīng)用非常廣泛。地板下鋪的擠塑板，外墻中的巖棉，這些都是重要的建筑保溫材料，這些材料往往具有多孔結(jié)構(gòu)，有些材料的孔隙率甚至超過(guò)99%，其目的也是利用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于固體，達(dá)到保溫隔熱的效果。
