在天气寒冷的时候,想要在室外喝一口热茶,我们会将热水装进保温瓶内。你有发现,不管是保温杯、保温瓶,还是带饭用的保温袋,统统都有一层闪亮的银色内层吗?而这内层多为金属制,利用金属隔热的特性,减少热力传递,达到保温的效果。可是,金属不是良好的导热体,传热会更快吗?又怎样可以那般神奇地保温呢?
金属传热更快吗?
一起准备以下实验,观察金属传热能力吧!
用具:两块大小相同的冰块、锡纸碗、胶碗
在锡纸碗内的冰块融得较快,看来金属传热更快啊!金属真的有保暖作用吗?
为甚么金属传热那么快?
加热物件,其实是一个将热能输送给该物的过程。只要理解物件吸收了热能后的变化,就不难理解金属传热快的特性。
以锡纸为例,若把锡纸夸张地放大,就会发现那是由大量粒子构成。锡纸吸收了热能,它的粒子就震动得更快。锡纸愈热,它的粒子就震动愈激烈。
粒子没有受热时,震动幅度较小,粒子距离较近
粒子受热时,震动幅度较大,粒子距离较远,物件也会因此膨胀
粒子之间会互相碰撞,如果物件的温度不匀,或是碰到另一件温度不同的物件,就会发生热传导:
比起木材、塑胶、玻璃这些非金属,由于金属带有自由电子,粒子撞击会更多,使热能快速从热的一端传导到冷的一端,因此传热较快。
再重看锡纸盘的实验,现在明白了吧?
金属又可隔热?
一起准备以下两个实验,观察金属隔热能力吧!
实验一用具:玻璃瓶 × 2、锡纸、冰
实验二用具:玻璃瓶、锡纸、抹手纸、橡筋、冰
包上锡纸的玻璃瓶里面的冰块融得较慢,看来金属的确有保暖作用!
保温瓶如何减少热力传递?
保温就是尽量保持物件温度不变,不论是减慢温暖的物质变冷,还是减慢冰冷的物质变暖,都算是保温。
要达至保温,就须阻止热力流出或流入。热力除了可用前页所述的传导形式流动,还有两种传递形式——对流及辐射。而保温瓶的设计能减低这三种方法所传递的热力。
阻止对流
热的流体(即空气或液体)会上升、冷的流体会下降,这产生了对流。如果冷水直接暴露于空气中,空气的对流会将四周的热力源头(例如太阳、暖炉、煮食炉、暖包等)带动至冷水。保温瓶隔绝外界空气,保温瓶内外的空气不会互相流动,因此不能形成对流,瓶内的水就得以保温。
减慢传导
任何物质都可发生传导,只是根据物质的特性而有快慢之别。固体(尤其是金属)及液体一般传导得较快,而空气传导则较慢。实验二中抹手纸困着的空气亦有助减慢传导呢!
如果将上面实验二中的C保温瓶外层放大作传导分析,就不难理解保温瓶设计如何减慢传导。(提示:从左到右看,最左为外面的空气,最右为保温瓶内的冰)
阻挡辐射
这里的辐射是指「热辐射」,热的物质会发出的电磁波,例如红外线和可见光等。
紫色部分为锡纸,蓝色部分为外在的空气。锡纸上的自由电子把大部分热辐射反射回去,只有小部分被吸收,达至保温效果。
由于保温瓶令三个传热途径都受到阻挠,瓶内的温度不易改变,冰块就能保温,不易融化。相对而言,非金属反射热辐射的能力则较差。另外,如果瓶内是热水,热能也跑不出来,一样可保温啊!
或许看得到的热辐射
所有物质或多或少都带有热能,并释放热辐射,分别在于热辐射的「成分」。而日常见到画面又红又黄的体温探测机,就正正显示我们身体释放的热辐射。
跟透过粒子震动的传导不同,热辐射不用任何媒介,就可将热能带到物件,因此我们在地球上,也能透过热辐射感受到太阳的热力。注意上述的颜色尺度不能用来判断的颜色,因为火焰的颜色还会受燃烧的化学物质影响!
本文由《儿童的科学》提供。
