【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第二章热和功

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的】 

§2-3热传递的三种方式

【01】从§2-2的学习中，我们已经知道，物体内能的改变，可以通过做功和热传递两种方式来完成。在第一册中已经详细地讲过功的概念，现在我们来讨论热传递的几种方式，以及它们在自然界中的作用和在工程技术上的一些应用。

【02】在上一节中已经指出，热传递实质上就是内能的传递。

【03】一般地讲，如果一个物体的温度升高，我们就说它得到了某些内能；温度降低，我们就说它失去了某些内能。一个物体内能的减少引起别的物体内能的增加，于是我们就说内能从前一个物体传递到后一个物体上去了。

【04】在日常生活中，我们可以经常遇到一些有关内能从一个物体传递给其他物体的现象。

【05】例如，放在热汤里的金属调羹，从热汤里获得了内能，因而温度升高了。放在火炉上的水壶里的水从正在燃烧着的燃料中不断地得到内能；如果把水壶从火炉上取下，放在地上，它就逐渐冷下来，这时水的一部分内能就传给了周围的物体（空气等）。

【06】这些例子说明，当冷热程度不同的物体放在一起时，温度高的物体放出内能，温度降低；而温度低的物体得到内能，温度升高。

【07】内能不仅可以从一个物体传递给另一个物体，而且也能在同一物体的不同部分之间进行传递。例如，把铁棒的一端放在火上，另一端就会逐渐地变热而发烫。

【08】内能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到同一物体邻近部分的过程，叫做热传递。

【09】实验指出，内能永远自发地从温度高的物体向温度低的物体传递。在其他条件都相同的情况下，两个物体的温度相差越大，内能的传递也就进行得越快。当冷热程度不同的物体相互接触时，热传递要进行到它们的温度相等时才会停止，也就是说这些物体达到了热平衡。同样地，如果一个物体的不同部分的温度有差别，热传递在物体内部也要进行到各处的温度完全一致才停止。

【10】热传递的方式有三种：对流、传导和辐射。我们就分别来加以叙述。

1、对流

【11】把手放在火炉上或者点燃着的煤油灯上，我们立刻就会感到有温暖的气流上升。同样，装在煤油灯玻璃罩上方的小风轮，因为受到上升热空气的推动而旋转起来（图2·3）。挂在火炉上面的手帕，由于上升气流的影响而飘动起来。

【12】为什么会发生这些现象呢？这是因为火炉和煤油灯附近的空气，受热后开始膨胀，结果使密度变小而上升；周围冷空气的密度大，就下降.于是形成了空气的流动。

【13】对液体进行加热时，也可以看到这种现象。

【14】液体的较热部分密度较小，所以上升；而冷的液体密度较大，所以下降，来填补上升液体原来的位置。冷的液体受热以后又开始上升，同时上面温度较低的液体则又下降，热液体和冷液体的不断循环，能使整瓶液体很快地热起来。在图2·4装置的烧瓶中放一些水和高锰酸钾晶体，就很容易看出液体受热时的运动情况。

【15】依靠液体或气体本身的流动而实现的热传递过程叫做对流。

【16】由此可以看出，对流的特点是伴随有大量物质分子的定向运动——热的流体向上运动，冷的流体向下运动。

【17】冬天，在生火炉的房间里，全室的空气就是由于对流作用而逐渐温暖起来的（图2·5）

【18】地球大气层中的空气，由于在赤道地区和两极地区受热程度不同而产生了强大的对流运动，结果就形成了信风。赤道处的热空气上升并流向两极；在大气的低层，较冷的空气流向赤道。海洋中的潮流也跟海水的对流有关。

【19】在沿海地区可以看到由于空气受热的不同而形成的风。白昼，陆地比海水容易晒热，陆地上的空气受热以后开始上升，从海面上流来的冷空气就填充了它的位置。因此，白昼的风从海洋吹向陆地。晚间则恰好相反，陆地表面比海水冷却得快，海面上的空气比陆地上的空气热，风就由陆地吹向海洋。

对流在工程技术上的应用

（1）通风

【20】因为炉子烟道中热烟气的密度比周围冷空气的密度小，所以烟囱中热烟气柱的重量比同样高度的冷空气柱的重量轻。炉门处冷空气的压强大于热烟气的压强，使周围的冷空气进入炉中，同时烟道中的热烟气上升，形成通风。烟气的温度越高、烟囱的高度越大，则热烟气柱和周围空气柱的重量差就越大，通风也就越强烈；进入炉子中的新鲜空气越多，燃料燃烧得也越充分。

【21】图2·6的实验可以用来说明烟囱的通风作用。受到蜡烛加热后的热空气沿着箱面上的圆筒上升，带着烟的冷空气进入箱子，受热后又随带着烟一起离开圆筒。在工厂里，为了保证锅炉中的燃料能够很好地燃烧，都装有很高的烟囱。

（2）热水暖室装置

【22】在现代化的大型建筑物中常装有这种取暖设备。

【23】在房屋的地下室里装着锅炉 A（图27(a)），水就在这里加热。锅炉烟上面有竖直的管子通到顶楼上的膨胀箱 B。它之所以叫做膨胀箱，是因为水在受热时要膨胀，而使一部分多余的水被排入箱中。

【24】在紧靠膨胀箱底部的竖直管子上，沿着顶楼有一些支管，这些支管垂直地穿过各个屋子并与散热器 C 相连接。散热器是由一些很宽的铁管连接而成的（图2·7(b)），一般放在窗户下面。

【25】散热器下面另外有管子通入地下室，和锅炉下部的回水管连接在一起。整个装置的各个部分都充满了水。

【26】水在锅炉中受热后，就顺着竖直管子升到支管和膨胀箱里，再从每条支管流到各个屋子的散热器里。

【27】热水把自已的一部分内能传递给散热器，使它变热，而本身变冷，再顺着下面的管子通过回水管进入锅炉，重新加热。这样，当锅炉工作的时候，水就能不断地在整个装置中循环流动，把内能从锅炉传递给散热器。如果膨胀箱中的水太多了，就会从上面的管子流出，到下水道去。

【28】由此可以看出，在这种装置中，水的循环是依靠水的对流进行的。散热器使室内空气变热的过程是依靠空气的对流来达到的。

【29】在大型建筑物中，水的循环有时是利用水泵来强制进行的。

【30】房间要求保持的温度越高，所装的散热器就要越多，或者是将散热器做成有更多数目的散热片。这样能够增加空气跟散热器接触的面积，好让热水的内能较快地传递给室内的空气。

【31】散热器上都装有开关，可以用来调节流进散热器里的热水量，从而调节室内空气的温度。

（3）汽车和拖拉机发动机的冷却

【32】发动机工作的时候，由于燃料的燃烧，汽缸内部的温度要达到1800~2000°C  。汽缸壁过热就不能保证发动机正常工作，因此，必须进行冷却。

【33】在汽车和拖拉机的发动机中，经常采用水来冷却。在严寒的季节中，为了降低它的冰点，要掺入其他的一些液体。

【34】在汽缸壁跟发动机外壳之间装满了水（图2·8），形成一个“水套”。散热器是由带棱片的薄管和两根连接管组成的。在较简单的装置中，水就依靠对流来进行冷却。和汽缸壁接触的水因受热后密度变小，沿着上部连接管向上流动；而散热器里的水较冷，密度较大，经过下部连接管来填补它的空位。这样，水就在不断的循环中把发动机中无用的内能传递出去。散热器中的水还可以用通风机产生的气流来进行冷却。

【35】在现代化的发动机中，冷却装置里的水是用小水泵来强迫循环的，小水泵和通风机安装在同一根轴上。

习题2-3(1)

1、热传递的实质是什么？

2、热传递有哪几种方式？对流具有什么特点？

3、在滨海地区，为什么白昼的风往往从海面吹来，而到了晚间却往往从陆地吹向海面？

4、说明对流形成的原因。烧水时水壶里的水是怎样变热的？

2、传导

【36】我们把金属调羹放进热汤里后，很快就感到调羹的把手发烫了，这表示放在汤里的调羹所获得的内能是沿着金属传递过来的。很明显，这种热传递的方式跟对流并不相同。以对流方式进行热传递时伴随着有气体或液体本身的流动，而现在调羹内部的金属并没有流动，内能却还是传递过来了。

【37】如果把一块冷的金属和一块热的金属相互接触，那么冷的金属块会逐渐变热，热的金属块会逐渐变冷，这时有内能的传递，却看不到物质的迁移。

【38】内能由物体的一部分传递给另一部分，或者从一个物体传递给另一个物体，而同时并没有物质的迁移，这种过程就叫做传导，也称为热传导。

【39】从分子运动论的观点来看，这种传热方式实质上是物质的分子在相互碰撞时传递动能的过程。物体较热部分的分子具有较大的平均动能，这些分子在运动中由于碰撞而把本身的一部分动能传给了较冷部分的分子，这样，剧烈的分子运动就在物体中传播开来，使物体较冷部分逐渐变热。

【40】下面我们通过实验分别来讨论固体、液体和气体中这种热传递方式的特点。

【41】把木柴的一端放在火中燃烧时，手拿的那一头还是冷的。这说明木头是不善于导热的。

【42】拿一根小玻璃棒的一端放在酒精灯上加热，不需要多少时间，这一端就会烧得发红，甚至会熔解，而此时另一端却并不烫手。这说明玻璃也是不善于导热的。

【43】如果我们把火钳的一头放在火中燃烧，那么过了不久，整个火钳就会变得很热，甚至烫得使手不可能再握住它的另一端。这说明铁是善于导热的。

【44】把铜条和铁条的一头插在软木塞中，而把它们的另一头紧靠在一起，然后象图2·9那样把它们装置起来。

【45】在铜条和铁条上用蜡或凡士林竖直地粘上几根火柴，并且加热铜条和铁条相互接触的那头。过一会儿我们就会看到，最先掉下去的是离火最近处的火柴，接着是离火远一点的火柴，最后才是靠近软木塞那一头的火柴。同时我们还可以看到，铜条上的火柴先开始掉下去，而且最先掉完，铁条上的火柴后开始掉下去，而且最后掉完。这个实验告诉我们下列两点：

【46】(1)在物体内部，内能是从较热部分逐渐向较冷部分传递的。这证明了上面提到的，热传导是物体内部分子的平均动能逐渐趋向均匀的过程。

【47】(2)铜和铁都是善于导热的物质，而铜比铁的导热本领更强。

【48】现在我们来研究液体中的热传导。

【49】在一只试管里面装上水，然后将靠近水面的部分进行加热（图2·10）。这时表面上的水很快地就沸腾了，而底下的水还是冷的。如果在管底放一些冰（为了不使冰浮起来，在冰上拴一块小石头），则当上面的水已经沸腾时，冰才稍微熔化一点。这表明水也象木头和玻璃一样，是不善于导热的。

【50】我们再来研究气体的导热性能。

【51】图2·11的实验可以证明空气是不善于导热的。把一只干试管套在手指上，让管底向上，然后进行加热，可是手指几乎感觉不到热。

【52】上面的这些实验告诉我们，各种物质的导热性能是不同的，有的善于导热，有的不善于导热。固态物质中金属是善于导热的，其中又以银和铜的导热性能为最好。木头、玻璃，皮革、陶瓷是不善于导热的。最不容易导热的是羊毛、头发、羽毛、纸、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。

【53】液体除了水银和熔化了的金属以外，都不善于导热。气体的导热性能比液体更差。

【54】羊毛、棉花、毛皮不容易导热的原因是由于在它们的纤维中间存在着不流动的空气。在我国一些比较寒冷的地区，一般的房子里都装着双层玻璃窗，因为两层玻璃中间存在着不流动又不善于导热的空气层。这样在冬天，室内的空气就不容易被冷却，所以能使室内保持温暖。

【55】真空——抽出空气的空间，是最不善于导热的。这是因为热传导是依靠分子的碰撞来实现的，而在分子很少的空间中，热传导几乎完全不能进行。

习题2-3(2)

1、说明热传导的特点，它跟对流有什么不同？

2、从分子运动论的观点来说明热传导的实质。

3、热传递在流体中主要依靠哪种方式来进行？在固体中主要依靠什么方式来实现？

4、外形相同的一根木棒和一根铁棒，分别用纸紧紧地包起来，同时放在火里。为什么木棒上的纸会先烧起来？

5、室外的单杠（铁制），在夏天烈日的照耀下，为什么会热得烫手，而在严冬的早晨，会冷得冻手？又处于相同气温下的双杠（木制），为什么不会给我们这样强烈的冷热感觉呢？

6、为什么水壶、饭锅都是用金属做的，它们的把手却都是用木料做的？

7、举一些例子来说明，水和空气都是不善于导热的。

3、辐射

【56】我们再来研究热传递的第三种方式。先做一个实验。拿一只外面涂有煤烟的小烧瓶（图2·12），瓶口用插有玻璃管（弯成直角）的软木塞盖紧，在玻璃管的水平部分装进一滴红色的水。水平管旁附有一个刻度尺，这样，我们就制成了一只验温器。

【57】在离验温器约1米远的地方，放一只烧得非常热的2~5公斤重的铁砝码。这时，我们可以看到，验温器管子里的水滴向右逐渐移动。显然，这表示瓶里的空气受热后开始膨胀。可以肯定，这种膨胀是由于大量的内能从砝码传到了验温器的结果。

【58】砝码的内能是怎样传递到验温器上去的呢？上面已经讲过，空气是不善于导热的，也就是说热传导在这里不起作用。同时，砝码放在验温器的旁边，被砝码烤热的空气是向上升的，所以也不是对流的作用。因此，我们所遇到的是一种新的热传递方式。

【59】大家知道，太阳和地球之间有很长一段真空地区，但是地球还是从太阳那里得到大量的能量。这些能量是依靠太阳光（可见的和不可见的）传递过来的。类似地，在上面的实验中，验温器所得到的能量就是依靠从铁砝码发出的不可见的光传递过来的。以后我们会学到，一切可见的和不可见的光都是各种波长不同的电磁波。

【60】这种既不是依靠气体或液体的流动，又不是依靠分子之间的碰撞，而是借助于不同波长的各种电磁波来传递内能的方式，称为辐射。

【61】如果在验温器和铁砝码中间放一块厚纸板或木片，那么，液滴很快就会回到原来的位置。这证明，从物体辐射出去的能量是沿直线方向传播的。

【62】表面明亮而光滑的物体远不及表面黑暗而粗糙的物体善于吸收来自辐射的能量。利用简单的实验就能够说明这一点，如果将验温器的一面涂黑，另一面不涂黑，当把涂黑的一面对着砝码时，液滴移动得很快，而把不涂黑的一面对着砝码时，液滴就移动得很慢。

【63】表面黑暗粗糙的物体，不但能够迅速地和大量地吸收来自辐射的能量，而且也能迅速地和大量地辐射出能量。例如，表面光亮的茶杯与表面黑暗的茶杯相比，保持水温的时间要长些。

传导和辐射在工程技术上的应用

（1）安全灯

【64】如果把细铜丝网放在煤气灯或酒精灯的上面，用火柴在网下面点火，那么只在网下面有火焰（图2·13）。如果在上面点火，则只有上面有火焰（图2·14）。这是因为铜丝网非常善于导热；它能够把所得到的内能很快地散布开来，使网另一面的气温不能达到着火点。

【65】矿井里用的安全灯就是根据这个原理制成的。矿井里常常存在着一些易燃的气体。如果把灯用铜丝网围起来，那么，网里的灯火就不致于使网外的可燃气体着火而引起爆炸。所以这种灯被叫做安全灯（图2·15）。

（2）保温瓶

【66】把开水装在保温瓶（普通称为热水瓶）里，可以使开水的温度在一个相当长的时间内保持不下降。如果把冰盛在保温瓶里，也可以使冰在一个相当长的时间内保持不熔化。保温瓶为什么能够起这样的作用呢？这需要用它的构造上的特点来说明。

【67】图2·16所示的是盛液体的保温瓶。它是一个由双层玻璃做成的瓶子，在夹层里的玻璃壁上镀上一薄层银，夹层里差不多抽成真空。瓶口用软术塞盖住。由于玻璃和软木塞都是不善于导热的，在真空的夹层里对流不可能发生，以及镀银的光亮面能够把辐射出去的内能反射回来，因此，保温瓶把传导、对流和辐射三种作用都尽可能地减少了，从而起到了保温作用。为了保护它，我们通常把它放在一只用白铁或竹子做成的外壳里。

习题2-3(3)

1、为什么阳光照在镜子上时，镜面只略微发热？

2、夏天人们一般都喜欢穿浅色的衣服，为什么？