物质的导热性

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  一天,小明和几个同学上体育课后去取水喝,小明没有茶杯,就用金属易拉罐来装开水,感到很烫手,而其他同学用玻璃杯或塑料杯却没有这么烫,他想:“各种物质都能传热,哪些东西更容易传热呢?”他猜想:易拉罐是金属做的,是不是金属导热本领最大?于是他进行了以下实验:在一只玻璃杯里倒入热水,再放入一把塑料调羹、一把木制调羹和一把金属调羹,过了一会儿,用手摸一摸,感觉金属调羹最热,塑料调羹较暖,而木制调羹几乎未感觉到有变化。
  通过这个试验我们得到结论:金属的导热性最大、塑料次之、木材最小。也就是说不同物质的导热性不同,导热性是物质的一种基本物理属性。我们根据导热性的差异,将物质分为两类:热的良导体和热的不良导体。
  
  一、热的良导体和热的不良导体
  
  1、热的良导体。我们把善于传热的物质叫做热的良导体。最善于传热的是银,其次是铜、铝、钢、铁。银的导热性虽然很好,但由于其价格昂贵。一般不用来做导热材料。
  热的良導体在我们的厨房中有极为广泛的应用。各种炊具的材料基本都是热的良导体。在以前铝制品以轻便、耐用、导热性好、不生锈的优点而广泛用于厨房,如铝锅、铝制饭盒等。但铝锅不宜用来烧煮酸性或碱性食物,以及过咸的食物,否则,炊具中的铝会大量溶出,污染食物。大量研究表明,铝摄入过多会加速人的衰老,铝还是诱发老年痴呆的祸根。
  热的良导体在散热装置中也有比较广泛的应用。现在我们所用的电脑更新换代的速度越来越快。这是件好事,可随之而来的是中央处理器(CPU)工作时产生的热量也越来越多。若不能及时给CPU散热,就会影响整个系统的稳定性和硬件的使用寿命。因此,在电脑上都装有各种散热装置。电脑的散热装置一般由电扇和散热片组成。散热片可以做成不同形状,如图1就是一种常见的电脑散热片。做成这种形状的目的是增大与空气的接触面积。散热片通过铜片与CPU紧密接触,使产生的热量迅速传导到散热片上,再通过电扇对散热片吹风。达到散热的目的。其实类似这样的散热片在我们生活中经常能见到。如取暖器和空调内部都有这样的片状的散热片及时散热,保证机器正常工作。
  


  2、热的不良导体。曾有这样一则报导:南极科学考察队在南极用一种特殊塑料(绝热性能非常好的材料)建造了屋子,不慎在加固房屋时使用了一根用钢铁制的螺丝,就是这一根螺丝,半夜使屋里的温度降到了科考队员无法承受的程度。查其原因,都是这根金属螺丝坏的事,因为它是热的良导体,再加上里外的温度相差很大,所以它将屋里的热量“使劲”地向外面传输,好像变成了一条专门向外输送热量的通道,于是乎屋里的温度拼命下降,几乎酿成事故。
  由这则报道我们可以发现,在寒冷的南极,室内的热量是极其宝贵的,这时我们就不希望“金属螺丝”这一热的良导体将热量传导出去。我们需要的是不善于传热的物质来保温,也就是热的不良导体。如上面提到建屋用的塑料就是热的不良导体。我们常见的瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。液体中,除了水银以外。都不善于传热。另外气体比液体更不善于传热。
  同学们是否还记得水煮金鱼的实验,取一个烧瓶。装入适量的水,在水里放进去几条小金鱼。倾斜烧瓶,用酒精灯加热烧瓶的颈部,过一会颈部的水就会沸腾。而下部的金鱼却仍然自由自在地游来游去。这是为什么呢?这是因为从上部加热,上方的水很快变热,但下方的水要通过热传导而变热,而水是热的不良导体,这样,下部的水变热的速度很慢,所以会出现烧瓶颈部沸腾而底部却不热的现象。
  热的不良导体不善于传热这一特点,常被我们用来对物体进行保温。最常见的我们所用的热水瓶瓶塞。它的材料——软木就是热的不良导体,使瓶内热水的热量不至于流失过快。冰箱里面的温度低,外界的温度比里面的高,为了有效地减少里外的热交换,用塑料——热的不良导体做外壳。冬天,我们所穿的羽绒服、羊毛衫、皮衣所用的材料也都是热的不良导体,减少我们体表热量的流失,从而使我们不感到寒冷。
  了解了热的良导体和不良导体,下面我们再来了解一下热量是如何传递的。
  
  二、热传递
  
  热量会从温度高的物体传到温度低的物体,或者从物体的高温部分传到低温部分,这种现象叫做热传递。
  热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部位之间存在温度差,就会有热传递现象发生,并且将一直持续到温度相同为止。发生热传递的唯一条件是存在温度差。热传递的结果是温差消失。即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到相同的温度。在热传递过程中,物质并未发生迁移,只是高温物体放出热量,温度降低,内能减少;低温物体吸收热量,温度升高,内能增加。因此,热传递的实质就是内能从高温物体向低温物体转移的过程,这是能量转移的一种方式。
  热传递的三种形式:
  1、传导。热量从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分,叫做传导。热传导是固体中热传递的主要方式。例如,文章开始小明做实验时将金属调羹放在热水中,调羹变烫。这就是通过传导的方式将水的热量传导到调羹,使调羹变热。另外,在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生。
  


  2、对流、靠液体或气体的流动来传热的方式叫做对流。对流是液体和气体中热传递的主要方式。气体的对流现象比液体更明显。利用对流加热或降温时,必须同时满足两个条件:一是物质可以流动;二是加热方式必须能促使物质流动。例如,在烧开水的过程中使整壶水都变热,这主要是对流方式起的作用。
  3、辐射。热量由物体沿直线向外射出。叫做辐射。用辐射方式传递热,不需要任何介质。因此。辐射可以在真空中进行。地球上得到太阳的热,就是太阳通过辐射的方式传来的。当然热辐射并不是太阳的专利,任何发热的物体,都以辐射的方式向外传热。
  一般情况下,热传递的三种形式往往是同时进行的,只不过以其中的某一方式较为明显而已。例如,夏天喝饮料,把冰块放入饮料中降温,饮料通过传导的方式把热传给冰,冰吸热熔化,接着整杯饮料通过对流达到相同温度。
  
  责任编辑 王小兵
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