有时,最令人困惑的是日常事物。诸如此类的事情,在你的挡风玻璃上?比普通的东西?做实际上做任何事物?
从你六岁左右开始,你可能在每个寒冷的日子里都会想到另一个问题。为什么金属感觉比木头冷得多,至少在凉爽的日子里是这样?为什么蛋糕感觉起来比烹饪它的蛋糕罐不那么热?如何哎呀是这家伙徒手拿着一个烧红的立方体??
答案非常简单——但确实需要一些横向思考。事实证明,你并不是你想象的客观观察者。
为什么金属摸起来比木头或塑料冷?
想象一下你在外面,面对着一棵树和一盏路灯。理论上来说,它们的温度应该是一样的,对吧?他们都在外面,在同一个地方;两者都不是刚从烤箱里出来的。然而,我们几乎本能地知道,路灯摸起来比树更冷。那么,这是怎么回事?
嗯,线索就在措辞中:它感觉更冷。但是,有点违反直觉的是,事实并非如此字面上地更冷。
“当你触摸某物时,你实际上感觉不到温度,”德里克·穆勒 (Derek Muller) 在2012年的视频他的 YouTube 频道 Veritasium。 “你能感受到热量传导的速度,无论是朝向你还是远离你。”
换句话说:“这与导热率有关。”
为了说明这个概念,他邀请人们比较一本书和一个硬盘的温度——他使用红外温度计确认了这些物体的温度相同。正如你所预料的那样,他问过的每个人都认为这本书更温暖——有些人甚至指责他在揭露真相时撒谎。
不过,科学是合理的。 “尽管硬盘的温度与书本大致相同,但硬盘驱动器感觉更冷,”穆勒解释说,“这是因为铝将热量从手上传导出去的速度比书从手上传导热量的速度快。”
“[这]让硬盘感觉更冷,而书感觉更温暖。”
但有些事情你可能想不到:同样的事情反过来也会发生作用。换句话说,如果有两个物体比您的身体温暖,即使材料温度相同,金属也会感觉更热。
现在,在某种程度上,这是显而易见的,对吧?例如,如果您曾经烤过蛋糕,您就会知道蛋糕罐会“感觉”比里面的蛋糕更热——同样,这是因为金属的导体比蛋糕好得多,所以它会传递热量能量更有效地进入您的手中。但它可能会导致一些不直观的结果——正如穆勒在使用一块塑料、一块铝和两块冰块的实验中所展示的那样。
“我会在两个盘子上放一块冰块。我们会看到什么?他询问了志愿者——所有人都告诉他铝比塑料感觉更冷。毫不奇怪,考虑到这一点,他们凭直觉认为“较冷”的铝上的冰会保持固态,而“较热”的塑料上的冰块会融化。
相反,发生了完全相反的情况。
为什么? “铝块比塑料块融化冰的速度更快,因为它能更快地将热量传导到冰块,”穆勒解释道。 “塑料[……]是较差的导热体。热量传递到冰块的速度较慢,因此它保持寒冷。”
为什么金属是热的良好导体?
因此,我们已经弄清楚了为什么金属比相同温度的其他材料感觉更冷或更热——因为它们通常是更好的导热体。但金属为何具有这种特性呢?
要回答这些问题,有助于理解“热传导”的实际含义。看,一旦你达到足够高的分辨率,热只是另一种说法移动:“当材料吸收热能时,该能量就会转化为动能,导致原子移动,”解释道X测量。
“但是,由于固体中的原子没有太大的移动空间,它们开始振动,直接暴露在热量下的原子开始撞击它们的邻居,”文章继续说道。 “这次碰撞让邻居们兴奋不已,他们也开始震动。当这种情况发生并继续从材料的热部分移动到冷部分时,热量也开始进一步向下移动。这有点像鹅卵石撞击池塘表面产生的涟漪。”
现在,想一想这个问题,您就会开始意识到,在导热性方面,金属比木材有一些优势。金属的原子和分子将比木材更密集,这使得更多的粒子更容易相互碰撞;同样,木材上确实会有孔——有助于将水分和养分从根部向上输送,但不利于形成完整的抖动分子链。
木材是一种化合物,这一事实也导致其电导率较低——它由纤维素、半纤维素、木质素和单宁组成,这些物质又会分解成整个范围的元素数量不同,具体取决于您从哪棵树上获得的。当粒子遇到这些变化时,它们会分散并偏离其路径——本质上是稀释通过材料的热传导。
但真正让金属比塑料更具优势的是,这种材料也可以具有规则且密集的分子结构,但同时具有相对较低热导率——是它的自由电子。
“一块金属中的一些电子可以离开它们的原子并以自由电子的形式在金属中移动,”解释道BBC 比特大小。 “留下的金属原子部分现在带正电,称为金属离子。”
“当自由电子吸收热能时,它们的移动速度会更快,”它继续说道。 “当自由电子穿过金属时,它们会撞击金属离子。自由电子的一些动能被离子吸收,它的振动速度更快、幅度更大。”
用更容易想象的方式来说——想象一下一群人乘坐拥挤的地铁。当然,它们会被推挤,但一般来说,需要相当大的碰撞才能让它们相互碰撞。它们是我们的物质分子。
现在想象一下他们每个人都在尝试玩弄一组乒乓球。
您立即可以看到碰撞的次数将会增加——当您将自由电子引入系统时也是如此。
结果是:具有自由电子的材料(即金属)的导热性“比仅在原子之间传递振动引起的传导快得多”,Bitesize 解释道。 “因此,金属的传导速度比非金属更快。”
长话短说……
总而言之,为什么金属比非金属感觉更冷?这是因为您实际上根本感受不到温度,而是感觉到材料将热能从您身体中移走的效果。而金属,由于其特殊的分子构成,在这方面确实非常擅长。