热的三种传导方式及其利用

    春季我参观了几个养鸡场，我发现这几个养鸡场的供热设施几乎是相同的，很浪费煤资源，都是用土泥做的火道、火炕进行强力加热，我感到很不理解，我问他们为什么那么做，而不用暖气片，他们说暖气片效果不好，没有土火道保温效果好。

这种说法似乎振振有词，我一时难以驳倒他们，但是也同样引起了我对如何高效利用热能源的思考。其本质就是如何科学地把热的三种传播方式结合起来利用。

我对热利用的重视由来已久了，早在上大学的时候对热力学定理和热辐射方程很有琢磨，后来对克拉伯龙方程反复研究，后来对热学几个概念（例如：热容量、导热率、导温率）专门研究，再后来对各种热学现象又琢磨，对保温形式也琢磨。因此，我看到很浪费热资源的现象就不得不对热的三种形式的合理科学利用简单说说。

我在网上搜索的时候发现，其实我现在讲的东西在工学上叫“工程热力学”和“传热学”，是一种已经很成熟的科学。当然，在此之前我并不知道有这门专门的课程学科，但是，既然我才知道，我想社会上一定有许多人还不知道。而且我结合实际讲应该更加易于理解和应用。

冬天人们为什么喜欢总是呆在室内？原因之一就是隔绝了室内和室外的热对流，从而保持了室内温度。但是，并不是冬天人们都喜欢在室内，雪过天晴，人们反而大批出动到户外滑雪，晒太阳，为什么反过来又喜欢户外活动？因为雪过天晴后有几个特点：第一，没有冷风对流，人们感觉不到冷；雪过天晴后低空和高空气压差减小，大气稳定；第二，太阳高照，辐射热源充足；雪过天晴后大气水汽减少，大气截留热辐射减少，照射到地面的热辐射增加，所以感觉格外暖和。

相反，在风雪来临的时候，大气中水分吸收热辐射多，气温变化大，上层空气和下层空气之间的压力差大，乱流活动剧烈，所以显得格外寒冷。

另外，冬天的夜里在户外生一堆篝火，人们围着篝火载歌载舞，吃喝玩乐也不感到寒冷，为什么？主要是热辐射对人体的作用。热辐射照射到物体上（例如人们的手和脸），会产生热效应，产生热量，这个热量通过血液循环流通到全身人们就感觉温暖。所以，冬天的夜晚在户外，尽管对流散失热量很多，但是辐射热帮助人们加热，所以并不感到寒冷。

同样，夏天的人们喜欢在户外活动，尤其是晚上喜欢在户外，白天喜欢在户内，根本原因还是对辐射热的反映。白天户外阳光强烈照晒，辐射热很大，同时紫外线也很强烈，所以躲避为妙。而到了晚上，由于室内温度高，因此辐射热（主要是红外热辐射）很强烈，而且室内各个墙面都在对室内空气加热，所以给人感觉很热（实际温度和外界相差不大），为了躲避红外热辐射，人们纷纷走出室内到户外。到户外后，人体散发的热辐射就可以直接散失到宇宙空间去，所以感觉户外凉爽。

另外，如果在夏天进入太阳暴晒的汽车里面，人立即就会出汗，头顶火辣辣的。主要原因就是太阳光辐射到汽车顶部以后，汽车顶部的铁皮比热小，加温快，热辐射强大，所以人被热辐射照射后立即发热，其实车内温度比外面高不了多少，这种辐射特别容易引起人中暑，头重脚轻，恶心，木讷，厌食，消化失常等。

以上所讲实例都是对辐射热的反映。

严格的说物理中热传递的方式只有辐射和传导两种。辐射是指热能从热源以电磁的形式（由光子传送）直接发散出去。辐射可以在真空中进行，不需要任何介质。辐射的传热效能取决于热源的材料以及表面的颜色。传导是指分子之间的动能交换，能量较低的粒子和能量较高的粒子碰撞从而获得能量（是透过物理的直接接触），传导是需要媒介的。实际上对流是有物质流动参与的热传导，由于物质流动，增大了液体/气体中的传热能力，比单纯的液体/气体导热的传热能力强，这意味着，热能是来自于被气体或者液体所包围热源，透过分子的移动来实现热能的传递的。但是为了研究方便，常常把对流当作一种独立的热传递方式来叙述和说明。所以，我们现在学的教科书多半是说三种热传递方式：传导、对流、辐射。专家学者的观点是：传热介质不流动的传导——传导，传热介质流动的热传导——对流。

现在来讲热对流的例子。

人们都看过电影《泰坦尼克号》，在泰坦尼克号沉没以后大约还有70%的人还活着，他们不是被溺死的，而是因为冰冷的海水夺去了生命。这引发了人们对冷的理解。冷的感觉是怎么来的，冷的感觉是因为对流散热而来。外界温度低，人体温度高，在没有隔热设备的情况下，哪怕外界温度仅仅比人体低一度，由此引起的人体散热也会使人感觉寒冷。例如秋季，人们穿着单衣，秋雨一下就感觉很冷，其实这时候温度还有二十多度。而冬季温度在零度左右，人们穿的厚，所以反而感觉不到冷。在冰冷的大海中，人们泡在水里，人体热量不断从人体对流传导进入大海，所以人体逐渐失去热量和动力，逐渐肢体僵硬，血液循环停止，从而引起两千多人死亡。在这次事件中，只要不接触海水，不引起人体热量对流流失，那么就能够生存下来。所以在救生艇上的人和爬在木板上的人是大不相同的。水的比热大，失去热量太快。

又比如暖气。烧同样多的煤，放出同样多的热量，但是用暖气的房子远远比没有用暖气或者仅仅用火炉子的房子暖和，为什么？有人觉得很神秘，其实还是充分利用对流热的缘故。我曾经在一个冬天的某天到一个同事家里去，一进门就感觉很暖和。实际温度也达到了20度，他主动介绍说，他家的土暖气经常把火封着，但是暖气管道中水的循环很流畅，所以暖气总是散热很好，家里很温暖。我对这次访问印象很深刻，因为我见过许多其它暖气，总是不热，炉子的火很旺、温度很高，但是就是暖气不热的现象很多。

其实，暖气系统是充分利用了材料的热学性质的，首先暖气的炉子和供热对象分开的目的是暖气要消耗大量的空气，一方面空气燃烧产生的废气，废气排除会带走大量的热，废气也会给人带来毒素，另外煤在室内燃烧会污染环境，熏黑房子，所以烧热和用热分家是必要的。第二，人们在把暖气供给用户的管道上是做了很大文章的，用石棉防护层保护热水管道，由于石棉的导热率很小，导温率也很小，所以能够很好地保持热量不散失；第三，人们用金属散热片，散热片的面积很大，比热很小，导温率很高，这样只要管道中的水温比外界高一点点，散热就能持续进行，室内温度就能升高。所以，散热快慢不在于炉子的煤加多少，不在于炉子温度是多少，而在于中途不散热，目的地散热快慢。散热的快慢决定于两个因素，第一是散热片很多就散热快，第二是管道中热介质（水）的流动速度快就散热快，室内温度自然就高。为了增加管道中热介质（水）的流动速度，人们总是把管道倾斜安装，但是老实说这种作法的作用是有限的，最好的办法就是进行人工加速，在管道中装入一个微型水泵（也叫管道泵），水流速度会大大加快，从而散热效果会大幅度提高。所以，应该说微型水泵（也叫管道泵）是暖气中必须的配件。没有管道泵就必然多浪费许多煤。

暖气供热会使得室内各个地方对流充分，不会有冰冷的死角。但是用炉子供热或者电暖器就大不相同，在距离炉子近的地方就暖和一些，距离炉子远的地方就更加寒冷。这主要是辐射热的缺点，辐射热只能直线传播，在热源照射不到的地方不产生热效应，所以人在炉子傍边面向炉子的一面热得发烫，而背向炉子的一面冷得打颤，这个很正常。辐射热也只能在物体表面产生热效应，不会把热带到衣服里面，所以有些人烤火时间很长了，衣服里面可能还有冰块，感觉很冷。

同样的原理，人们普遍采用对流的方法制冷。在炎热的夏季人们一般都是用冷气往室内灌输使得室内温度下降，夏季制冷基本没有人利用“冷源辐射”的办法，因为这种办法的效果很不理想。所以，其实夏季制冷完全可以采用“中央制冷器”，集中供应冷气，它的成本远远比冬季供热低。

再说热传导的实例。北方人的热炕就是热传导的最典型的例子。炕就是人们把柴草直接放到炕面子下面，直接点火烧炕面子，最后炕面子烧热了就行了。俗话说“狗暖嘴，人暖腿”，炕是北方人最节省能源的供热方式。它最节省柴草，但是热效果也很好。实际上就热了炕面子那么大一块地方，进入家里还是很冷，但是坐到炕上就大不相同。炕也很保暖，人们在烧完炕以后就把炕火口塞起来，这样热流动减少，热能流失就慢，炕就冷的速度慢。在炕上总是铺着褥子，盖着被子，这样从上面散热的速度也大大下降。所以农村人一天用很少的柴火仅仅烧一次炕就能过冬。是世界上最节省能源的供热设施。

在这里我讲一个我“东施效颦”的故事。陕北人的炕是石板做的，他们在炕边修造一个炉子，烟道通过炕出去，这样在用煤烧炉子的时候炕也就烧热了。而关中平原上的人是用柴草烧炕，直接把柴草放到炕面子下面。我觉得陕北人聪明，既给室内加热又把炕烧好了，用炉子又能烧水做饭，多好啊。于是在我新家盘炕时就仿照陕北炕做了一个。结果如何呢？我把煤放到炉子里面点着火，火不从炕的烟道走，全部直接升起到家里了，家里面乌烟瘴气，后来没有办法我把上面堵死，然后用鼓风机鼓风，结果烟是从烟道出去了，但是出去很少，大量的烟气不知道哪里去了，而且炕死活不热，浪费了我远远比铁炉子用煤多多的煤，炕还是不热，热量哪里去了？这样做了两年，我实在没有办法了，把炉子打破了，然后在炕地下开了一个新炕洞，直接烧炕面子，这一下完全好了。炕很热，热的地方很大，持续时间很长，也不再浪费柴草了。

这个例子很典型，说明如果你不能充分理解和利用热的传导形式，那么是绝对浪费没效益的。其实，冷库、温室大棚等都是科学地利用了热的传导方式。

现在就来说一下如何高效科学地利用热的辐射、对流和传导三种传导方式。

一般来说，辐射的热效果最差，对流的热效果最好，热能源利用率最高。辐射热的特点是第一传播过程中热损失最小，但是空气中的水汽、甲烷和二氧化碳都是吸收热的高手，但是这些东西在远距离的时候才效果明显。短距离内没有什么效果。所以在室内炉子上，它加热空气的效果不好，空气可能还是冷的，对人体和生物不利。第二，辐射只对物体表面产生热效应，对于内部不能产生作用，因此炉子加热的热分布是很不均匀的，有的地方热有的地方冷。第三，热辐射对生物还有其它作用，例如日光可以促进维生素Ａ的代谢等。

热传导的作用取决于传导介质的导热率、导温率和热容量。如果传导介质的热容量很大，那么热资源的浪费就很严重。如果传导介质导热率、导温率很低，例如瓷、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，气体比液体更不善于传热。 如果用陶瓷做暖气散热片，那效果是可想而知的。但是如果用这些热的不良导体来做“传导介质”，用来直接暖脚暖腿，那么它良好的保温效果就会显示出来。所以，农村人利用这些不容易热，也不容易冷却的不良导体做炕面子就很成功。我的东施效颦的产品为什么没有热，主要原因是因为炕面子分散地吸收了热量，然后把热以对流形式排出房屋了。

由于热的不良导体有保温效果，所以往往用来做保温材料，而热的优良导体往往用来做散热材料。两种材料相得益彰才能作出良好的空调系统，包括暖气系统和制冷系统。

三者当中，对流的效果最好，它可以把小范围内的空气很快搅和均匀，不留死角。人们在发现以上原理后，就制作了空调系统，用热风代替烘烤。而要加大对流速度和效果，其方法和蒸发方法一样：增大接触面积，增加温度，用热的优良导体，增加高度差，增大热的导热介质的流动速度。这些都在实际中得到应用。

热的辐射、对流和传导的效果不同源自于热的几个定律。第一个是基尔荷夫定律（kirchhoff），KλT＝eλT，他表明：在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。即对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。②同一物体在温度T时它放射某一波长的辐射。那末，在同一温度下也吸收这一波长的辐射。所以，在辐射传热过程中，热辐射的波长并不是全波段的，而是根据温度变化而变化的，并不是我们需要什么波段的辐射就释放此波段的辐射。

第二个是斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律。由实验得知，物体的放射能力是随温度、 波长而改变的。随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应地增强。因而物体放射的总能量（即曲线与横坐标之间包围的面积）也会显著增大。根据研究，黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即ETb=σT4 ，式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）为斯蒂芬-波耳兹曼常数。这个定律告诉我们：要获得好的热效果，必须极大幅度地增加温度，这样放热体的放射能力才能极大地提高。比如，要把辐射强度从室温15℃（即288K）提高一倍，那么炉子温度就要增加到342.5K，即增加到70摄氏度；要提高3倍，就要把温度提高到379K，即增加到91摄氏度。所以在炎热的夏季，在汽车内，由于温度升高引起的辐射强度变化也是很大的，基本上比外界强一倍。而要获得强大的辐射强度必须增加炉子温度，例如炉子温度增加到了800℃，那么辐射强度就会增加到原来的193倍，增加到1000摄氏度，那么辐射强度就就会增加到原来的382倍。所以增加辐射热的最有效办法就是高温。但是高温又会引起热量的无辜散失，在供暖系统中火不要烧得太旺。

第三个是维恩（Wein）位移定律。黑体单色辐射极大值所对应的波长（λm）是随温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。根据研究，黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即λmT=C ，上式称维恩位移定律。如果波长以微米为单位，则常数C=2 896μm· K。于是式为λmT=2 896μm·K，上式表明，物体的温度愈高，其单色辐射极大值所对应的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其辐射的波长则愈长。此式表明，我们平时使用的炉子所放出的辐射绝对是不可能包含紫外线的，以红外线和可见光为主。红外线的热效率高，所以炉子加热是获得热量的最有效途径。尽管不是散热的最有效途径。

总结以上分析，获得能量的最有效办法是用炉子烧柴火烧煤获得，保温传输的最有效办法是用热的不良导体，到达目的地后散热的最有效办法是增加散热面积，使用导温率高的材料。这就构成了供暖系统中的锅炉——暖气管道——暖气片系统，为了增加流动散热速度再增加热力循环泵。而供冷气系统也是如此。

现在我们再来分析为什么养鸡场的供热系统是不科学的。首先，他们使用热的不良导体做加热系统就不科学，土做的火道尽管保温性能良好，但是温度上不去，不能获得高辐射热；第二，导温率低导致散热效果很差，火道很热而室内温度上不去；第三，土的热容量大，把大量的热量吸收，但是并不升温，所以很浪费煤。第四，要获得好的热效果必须把热的三种传导方式配合使用，他们没有配合，很单一。