放置在室温25 ℃左右的同一场所(桌子上)的发泡聚苯乙烯板 与铁板,它们各自的温度是怎样的呢?
大家觉得会是下面哪一种情况呢?
A.两者都与房间中的空气有相同的温度
B. 泡沫板的温度会比空气高
C.铁板的温度会比空气低
如果用手触摸的话,会发现铁板会让人感觉较冷。
用手触碰铁板、泡沫板的图示
但实际上,如果进行测量的话,两者的温度是完全一样的。所以,正确答案应该是A。
将温度高的物体与温度低的物体放在一起时,温度高的物体其温度会下降,而温度低的物体其温度则会上升,直至两者的温度相同。那么温度高的物体中到底有“什么东西”向温度低的物体移动了呢?答案就是我们称之为“热量”的东西。一旦两者间的温度变得相同,就意味着热量的移动停止了,这被叫作“热平衡”状态。
在房间中,泡沫板和铁板与所接触到的桌面以及周围的空气等都达到了热平衡的状态,因此它们之间的温度也是相同的。
但是,当用手去触摸这两块板时,感觉却是不一样的。室温25 ℃比人体的体温要低。通常来说,室温都是低于人体体温的。那么,当人用温度较高的手掌触碰温度较低的铁板时,热量会从手掌向铁板传递。此外,还要说明的是“热传导率”(热量传递的容易程度)的概念。一般来说,金属的热传导率会大于其他的物质,即热量在其中更容易传递。因此,热量能够在很短的时间内从人手传递给金属,导致手的温度大幅下降,使得我们在触摸时产生冰冷的感觉。
而泡沫板则属于很难传递热量的物质。因为其结构中有大量难以传递热量的空气气泡,所以泡沫板比铁板的隔热性更好,短时间内很难让热量“逃离”出去,所以手部的温度也不会有所下降。
综上所述,热量都是从温度高的物体(人的手)向温度低的物体(板)传递的。此时,热量传递的容易程度会因物质的种类不同而有所差异。
如果是用手接触比自己体温更高的金属板的话,则会感觉到烫。因为此时热量是从金属板向手部快速传递的,这会让手部的温度上升。
热量从手掌向铁板移动
我们也可以从构成物质的原子、分子的角度来思考“热量的传递”这件事。
物质都是由原子、分子构成的,并且它们一直处于运动的状态。温度越高,它们的运动就越激烈;反之,温度越低,其运动就越缓慢。所谓的“温度”,也可以看作是构成物质的原子、分子运动激烈程度的一种表现。
固体物质,其原子、分子都是以自身的范围在其平衡位置附近振动。
当一个原子、分子原本都不怎么振动的物体紧贴着一个原子、分子都在进行激烈振动的物体时,我们就会发现一直没有振动的原子、分子也开始运动。这个道理就好像一枚正在运动的硬币撞到一枚静止的硬币而使后者因被撞而弹起。那么,原本“静止”的原子、分子“被撞弹起”的结果就是物体的温度上升了。而反过来,原本一直激烈运动的原子、分子,其运动会逐渐减弱,即物体的温度开始下降。
这就是所谓“热量从温度高的物体向温度低的物体传递”的真相,也是从微观的角度来解释“热量传递”这个现象。
金属物质是由构成金属的原子大量集结而成的。在金属的原子集团中,还存在着许多不属于任何原子的“自由电子”。自由电子是比原子、分子更小、更轻的粒子,其携带负电荷。
金属之所以有良好的导电性,就是因为当被施加电压时,自由电子会向负极的反方向运动,即被吸引朝着正极的方向运动。
总之,金属较容易传递热量,也是由于其又轻又极易运动的自由电子对热量进行传输。
而泡沫板和木板等物质中,均不存在这种自由电子,因此只能通过相互间紧密结合的原子、分子的振动来传递热量。