热量传输机制是什么 热量传输的基本概念

导语：热量传输机制是什么？热量传输机制是热力学中一个极具深度和复杂性的概念，涉及到热量在物质间的传递与转化过程，而且从微观角度看，热量的传输方式有三种，分别是传导、对流和辐射，下面就一起去看看热量传输的基本概念吧！

热量传输机制是什么

空气

能量的流动有三种方式：传导、对流和辐射。虽然它们的表现方式不同，但热量传输的所有三种方式是同时起作用的。而且，这些过程可以在太阳和地球之间、在地表和大气之间与外空之间传输热量。

传导

无论是谁，当他试图从沸腾的汤锅中拿取金属勺子时都会感觉到整个汤勺在放出热量。热量以这种方式传输就称为传导。热汤使汤勺的另一端分子振动得更快。这些振动得更快的分子和自由电子与汤勺柄中及其周围的其他分子的碰撞更为活跃。因此，传导就是通过电子和分子的彼此碰撞而传输热量。不同物质的热传导能力差别相当大，金属是良好的导热体，比如我们碰到热汤勺就立刻能感觉到。而空气是很差的热的传导体，因此，只有在离地面很近的空气层中，传导才是重要的热传输方式。所以，就大气总的热量传输方式而言，传导是最不重要的，往往在考虑大多数气象现象时都可以忽略。

像空气这样热的不良导体称为绝热体。大多数物体都是良好的绝热体，例如软木塞、塑料薄膜或鹅绒等都含有许多小的空气泡，而空气的不良导热性使得这些材料具有绝热作用。雪也是不良导热体(好的绝热体),与其他绝热体一样，雪中也含有大量的空气泡阻止热量流动，这也是为什么野生动物躲进雪窟里避寒。雪就像羽绒服一样，并不能供给热量，但可以阻止动物身体热量的损失。

对流

地球大气和海洋中的热量传输大多数是由对流引起的。对流是指与物质的实际运动或环流有关的热量输送。对流发生在可流动的流体中(液体的水和气体，如空气)。放在篝火上加热的水锅可以说明简单对流的性质。火加热锅的底部，锅底将热量传给锅中的水。因为水是不良导热体，所以只有接近锅底的水才会被加热，加热使这里的水膨胀而密度变小，所以锅底附近被加热而变轻的水上升，与此同时上面较冷和密度较大的水下沉。这样只要在锅底加热而水表面附近冷却，那么就会持续这种冷热水的“翻转”现象而产生对流环流。

类似的，大气最底层的空气会通过地面辐射和热传导加热后被输送到较高的大气层中。例如，在炎热的晴天，被砍伐过的空地上的空气比周围林地上的空气受到更强的加热，则空地上受热的空气上升，同时周围较冷的空气填充上升空气留下的空间,这样就形成了对流环流。上升的暖气块称为上升暖气流，滑翔机驾驶员正是利用这一原理让飞机上升飞行。这种对流不仅可以向上输送热量还可以向上输送水汽。炎热的夏天午后常常可以看到云量的增加，这就是因为对流引起的水汽上升所造成的。

在更大的尺度上，就是由地球表面不均匀加热引起的全球大气对流环流，这些复杂的对流环流运动对炎热的赤道地区和寒冷的极地地区之间的热量进行重新分布。

大气环流是由垂直方向和水平方向的分量组成的，因此会同时有垂直和水平方向的热量输送。气象学家通常将与上升和下降热量输送有关大气环流部分称为对流，而把对流的水平流动部分称为平流(平流通俗的说法就是“风”,关于风我们会在后面的章节详细探讨)。居住在中纬度地区的人们常常会感受到平流输送热量的作用，例如，1月份的美国中西部受到加拿大寒冷空气的侵袭而带来极其寒冷的冬季天气。

辐射

热量传输的第三种机制是辐射。与传导和对流不同，辐射是唯一可以通过完全真空的空间传送热量的方式，因此太阳能量可以以辐射的形式到达地球。

太阳辐射

太阳是驱动天气现象形成的根本的能量来源。我们知道太阳放出光和热量，而且太阳光线可以产生皮肤色素沉积。虽然这些能量的形式是整个太阳辐射出的总能量的主要组成部分，但它们只是辐射或电磁辐射能大家族中的一部分。所有的辐射形式，无论X射线、无线电波还是热波，都以30万千米/秒的速度在真空中传播，因而这一速度也称为光速。为了形象化，可以把辐射能传输想象成在平静的池塘里投入一枚石子产生的涟漪。像在池塘里产生的波一样，电磁波也有不同的大小或波长——从一个波峰到另一个波峰的距离。无线电波的波长最长，最大可达几十千米;最短的是伽马射线，不到百万分之一厘米;可见光波长大致在这个范围的中间。

空气

辐射常常可以通过其作用于某个物体所产生的效应来识别。例如，我们的视网膜对可见光的波长比较敏感，通常把可见光称为白光是因为它显现出来的颜色是“白”色。但很容易证明，白色光实际上是各种颜色的组合，每种颜色都对应一个特定的波长。使用棱镜可以将白光分成为彩虹的颜色，即从最短波长0.4微米(μm)(1微米等于百万分之一米)的紫色光到最长波长为0.7微米的红光。紧挨着红光的波长较长的是红外线辐射，人的眼睛看不见红外线但可以通过热量测出来。由于只有红外线是光谱中有足够强度、距可见光部分最近的可以作为热量能感觉到的辐射，所以也称为近红外。在可见光谱的另一端是紧挨着紫色光放出的能量称为紫外辐射，这一部分波长的辐射可能使皮肤晒黑。

虽然我们将辐射能按照自己的感觉来分类，实际上所有辐射的波长都有相似的行为特性。当物体吸收任何形式的电磁辐射时，电磁波都会激发亚原子粒子(电子),其结果是分子运动增加而使温度升高。因此，来自太阳的电磁波穿过宇宙空间直到被吸收就会增加其他物体中的分子运动-包括组成大气的气体分子、地球的陆地-海洋表面和人体等。

所有各种辐射能量波长最重要的差别就是，波长越短能量越强。这主要是基于这样一个事实，即相对于较长波长辐射而言，相对较短波长的紫外电磁波更容易损伤人体组织，这种损伤可能引起皮肤癌和白内障。值得注意的是，虽然太阳放出所有波长的辐射，但在不同波长的辐射量是不同的。大约占太阳辐射95%以上的能量是在波长0.1～2.5微米，而这其中的大部分又集中在电磁谱的可见光和近红外波长范围内，约占总放射能量的43%。其他剩余部分能量位于红外波段(49%)和紫外线(UV)波段(7%),大约不到1%的太阳辐射以X射线、伽马射线和无线电波的形式放射出来。

辐射定律

为了更好地理解太阳辐射能与地球大气和海—陆表面的相互作用，需要对基本的辐射定律有个大概了解。虽然这些定律超出了本书的范畴，但这些概念是认识辐射的基础。

所有物体都在某个波长范围持续地放射能量。所以，不仅像太阳这样热的物体放出能量，地球甚至极地的冰盖也放出能量。

(2)较热的物体单位面积上辐射出的能量要比较冷的物体辐射出的能量多。太阳表面温度是6000K,其单位面积辐射出的能量是表面平均温度只有288K的地球的16万倍(这一定律称为斯蒂芬—波尔茨曼定律)。

(3)较热的物体以短波的形式比较冷的物体放出更多的辐射能。我们可以形象地用一块加热的金属块来解释这一定律，当金属块被充分加热时(如在铁匠铺里)会发出白光，但随着金属块的冷却，就会以较长的波长放出能量并变成红色，慢慢就没有光了，但这时你如果用手靠近金属块，仍会感觉到以红外辐射的放出的热量。而地球放出的最大辐射波长是10微米，属于红外(热)辐射波长范围。因为地球最大辐射的波长约为太阳最大辐射波长的20倍，所以通常将地球辐射称为长波辐射，太阳辐射称为短波辐射(这一概念称为维恩位移定律。

(4)良好的辐射吸收体也是良好的辐射放射体。地球表面和太阳都是几乎完全的辐射体，它们可以几乎百分之百地吸收和放射辐射;相反地球大气中的各种气体则是选择性地吸收和放出辐射。对某些波长而言大气几乎是透明的(很少有辐射被吸收),而对其他波长大气又几乎是不透明的(吸收绝大部分辐射)。经验告诉我们，大气对太阳发出的可见光是相当透明的，因而太阳光很容易到达地面。

概括地讲，虽然太阳是最主要的辐射能量来源，但所有物体都在特定的波长范围放出辐射能，像太阳这样的热物体主要放出短波辐射(高能量);相反，大多数物体是在常温下(地球表面和海洋)放出长波辐射(低能量)。像地球这样的好的吸收体同时也是好的放射体，相对而言，大多数气体只有在某些特定波长才是好的吸收(放射)体，而在其他波长则是差的吸收体。

热量传输的基本概念

热传导(导热)：这是固体中热量传递的主要方式，热传导依赖于物质内部分子的振动、位移和相互碰撞，在气体、液体和固体中都可以发生，但传递机理不同，例如，在固体中，热量可以通过晶格振动和自由电子迁移来传递。

热对流：这是发生在流体(液体或气体)中的热量传递方式，由于流体的宏观运动，冷热流体相互掺混而发生热量传递，对流必然伴随导热，根据流体与壁面传热过程中流体物态是否发生变化，对流传热可以分为无相变和有相变两种类型。

热辐射：这是物体通过电磁波来传递能量的方式，与温度相关的辐射能称为热辐射，自然界中，物体不停地向空间发出热辐射，同时也吸收其他物体发出的热辐射。

此外，热量传递的方向性是始终从高温区域向低温区域进行。

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