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Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动中对流斑图的分区和成长: 热度 2 ninglz 2016-11-19 17:45; Poiseuille-Rayleigh- Bénard 流动中对流斑图的分区和成长宁利中 1 ) † ，胡彪 1) ，宁碧波 2) ，田伟利 3) （ 1 ） . 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西西安 710048 ； 2 ） . 嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001 ； 3 ） . 上海大学建筑系上海 200444 ）本文发表于《物理学报》2016,65（21）：214401 物理学报抽印本.pdf 采用 SIMPLE 算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟，研究了 Poiseuille-Rayleigh- Bénard 流动中对流斑图的分区，成长及水平流动对不同斑图特征物理量的影响。结果表明，上下临界雷诺数将流动分成三个区域，即行波区，局部行波区，水平流区。和随着相对瑞利数增大而增大。在对流斑图的成长阶段，三种斑图随时间的成长过程是不同的，但对流圈都是从下游区开始成长的；特征物理量随着时间的变化也是不同的，行波对流和局部行波对流的最大垂直流速和努塞尔数经过指数增长阶段后进入周期变化的稳定阶段；水平流斑图的和经过缓慢增长后又缓慢降到稳定值。三种斑图的和随雷诺数增大而减小的，不同斑图区域有不同的变化规律。本文给出了和随的变化关系式及不同斑图的和随着的变化关系式。关键词： Poiseuille-Rayleigh- Bénard 流动 , 行波 , 局部行波 , 斑图的成长 PACS: 44.25.+f,44.15.+a,05.70.Ln,82.40.Bj 论文资讯，谨供相关者交流参考！; 个人分类: 研究发现|2786 次阅读|4 个评论

羽流、对流与湍流: 热度 3 fpe 2012-7-1 06:44; 羽流、对流与湍流看了寻正对我的反驳，简直不敢相信自己的眼睛。如果羽流是因为形状像羽毛，我国的庄子说羽流是野马，那么羽流是否像野马呢？羽流之所以被称为羽流，是因为这种流动形式容易破碎（即在重力场中自动湍流化），所以看上去像一簇羽毛在飞，这一点，和庄子的羽流观察，像远处的野马在跑，是一致的。羽流，是一种浮力差造成的重力流（ Gravity Currents ），是浮力带来的流动（ Buoyancy-induced flow ）。寻正举例的对流，恰好是一种浮力产生的流动，所以说其为羽流，也是不错的。但是对流不是羽流，前者可能是压力流，后者必须是浮力流，这是本质性的区别。羽流研究领域，主要有两种：消防工程和环境工程。前者研究浮力对燃烧产物的散布作用，后者研究不同温度和不同浓度对污染物排放的散布作用，两者的研究对象是一致的，可以共享很多研究成果。至于地质工作者研究的受限空间的 Mantle Plume ，也算是重力流，却不能共享羽流的研究成果了。羽流的最大特征（也是名称由来），就是其容易失稳。不管源头的条件如何，经过一定的长度（即所谓的 Morton Length Scale ，这是第一位研究者的名字），原有的动量作用消失，浮力作用控制，羽流开始失稳，所以看上去像片片羽毛在飞了。有没有层流羽流呢？当然有，如果是液体（粘性系数大），如果尺度小（特征尺度小），就可以限制湍流的产生，结果就是小锅内的加热对流现象了。我们通常研究的是空气中的羽流，自由发展的羽流，总是要失稳（湍流化）的。可是我们还是要研究其中的浓度、温度和速度的分布，对此火检设备和喷淋设备都需要了解羽流的结构，以便对症下药，设计出最佳的控制方案来。羽流遇到天花板，发生拐弯，产生的一种流动，称为 Ceiling Jet （天顶射流），其实还是重力（或浮力）控制的流动，与钱塘湾的潮涌，并没有很大的本质性的区别。但是火场的羽流有温度差，靠近壁面会散热，所以喷淋头的感温探头总是伸出壁面，避免壁面的冷却作用导致动作延迟或根本不动作。如果伸出太多，又可能错过了天顶射流的高温区，导致喷淋头动作延迟或无法动作。仓库的天花板比较高，天顶射流的温度低，而且高温区距离天花板的距离增加（需要单独计算），所以仓库的喷淋头的设计是特殊的，有特殊的参数来指导，厂家也专门测试适用于大空间的喷淋头，以矫正大空间对羽流温度分布的影响。羽流的最大特征是容易失稳，尤其是火场气体。其中最关键的，是浮力导致上升，需要旁边的气体来补充（即卷吸现象），可是旁边的气体也感受到了浮力，也需要上升，怎么办？流动破碎，羽流失稳，看上去像羽毛了。笔者硕士博士研究对象都是羽流，居然有人凭着维基百科来说，你对羽流的理解是错误的，我也不敢说维基百科错了，只能说作者不是消防或环境工程领域的人，对羽流的认识有偏差。至于科普一定要符合中学物理的水平，那是理想的状态。给另一领域的科学家看的文章，为什么不能是科普呢？拿着维基百科和几张照片作科普的人，更需要被科普了。; 个人分类: 消防以外|8709 次阅读|4 个评论

羽流、对流、与湍流: 热度 3 fs007 2012-6-30 12:08; 寻正说实在的，把这三个泾渭分明的概念合在一篇文章讨论，无论是从专业角度，还是从大众科普的角度来讲，都是极为怪异的。然而，有了旅美学者挟专业之威的混淆，也就有了此文的写作基础。羽流（Plume）的英文单词原意是指羽毛。羽毛在文化上很重要，为什么呢？因为人类穿金戴银是相对很新的现象，在长长的人类历史上，大多数时候人类的装饰来自羽毛，因为在生产力低下的年代，捡起羽毛插头上身上装饰最便宜方便。人类用羽毛装饰自己的历史折射在中国的京剧、川剧、粤剧等古典戏剧中，这些传统剧一出场，满身的旌旗飘、枝柳摇，跟动物园里展示自己羽毛的鸟儿差不多。古典剧人家的身上插的这些花哨就来源于早期人类用羽毛装饰自己，京剧人物跟印地安人酋长没有太大区别，而京剧人物的唱腔与动作，也差不多源自己鸟儿在求偶时炫耀自己的羽毛：边唱边摇腿抖毛撅屁股。图一、人类的羽毛情结除了古典剧，人类想做鸟人的欲望还表现在文化的多个侧面，比如中国人成仙，那叫羽化登仙；快马加鞭不叫急，手持羽书不惜力；如果又碰到方舟子抄袭，我就似笑非笑地叹息，咋不爱惜自己的羽毛呢——尽管我明白，方舟子也清楚，他不长羽毛；中国人做图画书，表示皇帝的地位，总要在他后面画上两个侍卫，手持大羽扇——不需要扇风的冬天也不舍弃。图二、羽毛之王权与超人象征（羽化）有了羽毛，就有了羽流，这二者是怎么联系的呢？麻庭光这样描述： “由于重力流非常不稳定，容易受干扰而破碎，成为湍流或紊流。破碎的气体流动在通过光线时发生散射现象，影影绰绰，好像片片羽毛在飞，故也称为羽流。” 这样的描述显得很术语化，却是大谬不然，因为麻庭光显然忽视了用羽毛类比羽流的关键，那就是二维化的羽流跟羽毛形态上的相似性。喷射出来的羽流就象一片羽毛，所以称为羽流，跟“片片羽毛”在飞的形象不相关。在英文中，Plume指的是一片羽毛，而多片羽毛，比如一只鸟儿全身之羽毛分布，或者京剧印地安人的羽人造型，合称为Plumage，合适的中文译法叫“羽批”。图三、羽毛跟羽流的联系懂了羽流跟羽毛之间的联系，你就明白了什么是羽流，以及什么不是羽流。一个羽流的标准定义是“一柱流体在另一种流体中移动”（a column of one fluid moving through another，见英文维基）。这个定义包含了羽流，然而也包含不适宜称为羽流的情况，比如我们撒尿，这尿流基本上就不算羽流，羽流的分析模型没有太大用处。羽流有四个要素，一是含有动量的流体F1，二是不含动量的流体介质F2，三是F1跟F2在密度上差别不能太大，但同时二者还不能同质，以至于无法分清楚二者的边界，四是F1不受F2之外的阻扰——也就是说F1完全是在F2之中流动。 F1是液体，而F2 是空气，那么就有前述的尿流或者水枪射水，不会产生羽流现象，因为F2对F1的作用可以忽略不计，二者相互基本上不发生扩散。在水中吹气，阻力太大，也不会发生羽流现象。图四、喷射的水柱不一定产生羽流现象我们呼吸吹气时不发生羽流，因为尽管我们呼出来的气体跟空气有化学成份上的区别，从物理特性上说，没有太多差别，无法分清楚呼出气流跟其介质空气的边界，所以也无法形成羽流。羽流是成形的，尽管最终会消融于介质中，边界越来越模糊直至消失。如果我们吸烟，吐出来的烟气流就与空气不同质了，同介质空气之间就有了边界，就形成了羽流。羽流在观察期间有一个动力源，也就是说喷射出来的流体柱F1需要有动量，如果这个动量消失了，羽流也就会很快消散解体。羽流的特点就是由于介质分子的阻扰，流体柱在向前流动过程中，会扩大，形成羽毛状或者扫帚状外观。羽流柱体径值的扩展在物理学上有不同的模型解释描述，对于普通读者来说，理解不易，也无必要了解那么深入。现在我们回到麻庭光的诸多论及羽流的文字上： “破碎的气体流动……也称为羽流” “这样两种介质都存在的时候，就会有温度差，从而形成羽流” “夏季发生的铁轨上方的影影绰绰，就是典型的羽流现象” “路基和环境的物性不同而在高温下产生羽流” “大部分污染源的和周围的介质不同密度，或者是因为密度本来不同，或者是因为温度差造成的密度差……密度差造成的流动与温度差造成的流动没有本质区别” “喷淋头的探头部分不是完全靠近天花板，而是伸出一点，大约3～5厘米，就是为了避开由于天花板对羽流的冷却作用，尽可能早地动作以保护生命和财产” 1 麻文的描述足以让有中学物理基础的人感到困惑与反感。密度差与温度差不要说不产生羽流，连流动也未必产生。如果我们在装液体或者气体的容器上方加热，让其从上到下产生足够的温度差，会有流动吗？不会。同样地，在水瓶底部加入液体水银，会有流动吗？不会，尽管密度差极大。我们把液体水银投入水中，的确会流动，但你会看到水银直接下沉，不会有羽毛状的水银柱外观。江湖中水密度远高于空气，但不会向上流动产生羽流。麻文试图描述的又是什么现象呢？那就是对流（Convection）。什么是对流？当你在流体底部加热时，由于流体热胀冷缩，受热膨胀的底部流体密度变轻，在重力的作用下，变轻的局部流体会向上流动，它被挤压向上后的空间为周围温度更低的流体替代，上升后的流体由于体积增大，温度又逐渐降低，在下层温度又升高超过它的时候，它就会又落下去。有升有降，所以称为对流。近地层空气约17公里称为对流层（Troposphere），因为对流是这一层空气的主要现象，也是我们经历气候天气变化的主要原因。对流与羽流相比的特殊之处就在于有概念，没形象，同一流体受热流动，我们是看不到对流的。所以中学物理讲对流，老师只能给同学看示意图，而没有照片可见。对流是一个普遍现象，并不局限于炎热的夏天，当你行走在铁路公路上，你感受到的向上“气流”并非对流，大部分作用源于被晒热的地面向外发出热辐射，跟你水平接近高温物体的作用是一样的。图五、对流只能看到示意图对流的上升气流流速可以估计：0.65*（重力常数9.81*距离*温差/气温的绝对温度）的方根。我们假定距离为人身高所感受到的范围，设为2米，温差为30度，而气温为40度，那么计算得到的最高对流流速为0.89m/s，也就是说，在蒲福氏风级中算无风（1级），中国俗语说，无风不起浪，这个流速还达不到起浪的程度，所以也称算无风。用几乎极限性气温条件都不能产生风，更不要说产生高速气流形成羽流了 2 。但是，对流的存在，以及在阳光爆晒下增强则是无疑的。麻庭光把羽流之所以称为羽流归结于湍流（Turbulent Flow），“片片羽毛在飞”。几乎把湍流本身当着了羽流。羽流、对流、湍流在科学上几乎是风、马、牛的关系。羽流是流体流动的一个特殊现象，对流是流体传递热量的一种特殊方式，而湍流则是流体流动的另一种特殊形态。在所有的流体流动过程中，其分布可能有两种形式，层流（Laminar Flow或者Streamlined Flow）或者湍流。羽流可以是层流，也可以是湍流，或者二者的混合。在羽流的扩张的末端往往湍流增多，层流逐渐全被湍流代替。图六、香烟燃烧产生的羽流由层流变为湍流湍流是最复杂的自然现象之一，有的学者干脆称之为最复杂的现象，连上帝都可能搞不懂——著名物理学家海森堡曾言，如果到了天堂，他会问上帝两个问题，一是相对论，二是湍流，他只期望在前者得到满足。湍流的一个形象理解就是河流中的旋涡，平稳的水流遇到障碍物，会在障碍物远端形成回旋。湍流的另外译法就是乱流，没有规则地流。除开障碍引起湍流外，在物理学模型中，高雷诺系数易于产生湍流，对于普通读者来说，雷诺系数跟流速相关，流速越大，越容易产生湍流。这就跟前面计算的对流流速联系起来了，即使麻庭光描述的“羽流”存在，那也是一种极低速的空气流动，产生层流的可能性远高于产生湍流！从不可能发生的湍流中看到“影影绰绰，好像片片羽毛在飞”，不是逻辑思考的问题，就是视力的问题。注： 1 喷淋头的探头实际上靠近天花板，起码比喷头更靠近天花板，探头跟天花板没有关系，因为许多的烟雾探测器本身可以深入到天花板以上。喷淋头的探头不探测烟雾，而探测的是温度，有烟雾（羽流）并不见得就需要喷水。喷淋头的探头根据所要保护的环境而有不同的温度设置，麻庭光的这段描述表明他对实际的消防常识几乎一无所知，而他偏偏又爱摆消防专家的谱，在别人指出其错误时又以专家身份拒绝被指正，坚持错误，这是我为什么愿意花时间纠正其错误思想的原因，不能让谬种流传。 2 在地球物理学上有对流羽流（Convection Plume)的说法，因为地球内部也同样存在对流，而对流形成了羽流现象，但这只能算作特例。这种羽流在模型上有羽流特征，又称为Mantle Plume，中文译为地幔柱，更少羽流的意味。图七、地幔柱模型形象有类似羽流的地方; 个人分类: 对话麻庭光|24397 次阅读|6 个评论

数值模拟研究夏威夷热点火山作用的成因: chunyinzhou 2011-7-9 16:27; 数值模拟研究夏威夷热点火山作用的成因 Maxim D. Ballmer, Garrett Ito, Jeroen van Hunen and Paul J. Tackley （周春银编译）夏威夷热点火山作用（ Hawaiian hotspot volcanism ）一直都是地质学家研究的热点之一，也是经典板块构造理论（ plate tectonics ）和地幔柱（ mantle plume ）理论所重点讨论的地区。但是对于夏威夷地区（及周围地区）火山的成因，尤其是火山作用的物质来源，始终存在着一定的争议。前不久《 Science 》杂志文章根据地震层析成像研究，提出了与传统地球化学观点不一样的解释，认为夏威夷火山的物质来源可能并不是深部下地幔（见本博客文章《地幔转换带不连续面地震成像结果指示夏威夷西部存在热地幔》介绍）。近期，科学家通过数值模型提出了与传统地幔柱观点不同的机制来解释夏威夷热点火山作用的成因机制，文章《 Spatial and temporal variability in Hawaiian hotspot volcanism induced by small-scale convection 》发表在近期《 Nature Geoscience 》杂志上。 Nature Geoscience 链接： http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n7/full/ngeo1187.html 补充材料： http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n7/extref/ngeo1187-s1.pdf 模拟 movie ： http://www.nature.com/ngeo/journal/v4/n7/extref/ngeo1187-s2.mpg 全文下载（ PDF ）： 2011-NG-Spatial and temporal variability in Hawaiian hotspot volcanism induced b.pdf 【原文摘要】远离板块边界的火山作用经常都被归因于下伏地幔柱作用。但是，目前有关夏威夷火山作用的一些观测，如火山喷发物质量随时间的变化、火山熔岩地球化学特征在地表的不对称性以及远离热点的次级火山作用，无法用经典地幔柱观点来解释。本文是对夏威夷地幔柱的数值模拟，发现地幔中的小规模对流可以侵蚀岩石圈的底部，从而在板块底部形成“搓衣板”（ washboard ）形的构造。当板块在地幔柱上升流之上移动时，地幔柱就会与厚度时而变化的岩石圈相互作用而随之产生火山喷发物质量的不断变化。原先的“搓衣板”构造也会引起地幔柱的不对称扩散和熔融。在该模拟中，这一地幔流的不对称性可以形成喷发熔岩地球化学特征的不对称性。最后，在地幔柱内会产生一种更加普遍的小规模对流作用，可以在远离热点的位置形成上升流的局部成带分布。相关的岩浆作用由起源于地幔柱管道边缘化学成分不同的物质提供物质来源。模拟结果显示浅部作用对深源地幔柱火山作用具有重要的影响。经典的地幔柱通常都被描述为一个纯粹的由热驱动的、细小的上升流而穿越整个地幔最终在板块底部形成一个薄饼（ pancake ）构造。这样的上升流在动力学上可以形成一个拉长的抛物线形的海底地形隆起。相关的热点火山作用是定位和静止的，从而形成一条随时间递进的岛链。这一经典理论的确成功预测了热点链上的许多一级观测想象，夏威夷就是其中研究最多最著名的。 Figure 1. Overview and concept. a , Geographic overview and bathymetry of the Hawaiian Islands. Shield volcanoes are marked with triangles and arch volcanic fields with strong acoustic reflectivity are shaded. The shallow seafloor surrounding the islands is referred to as the Hawaiian arch (black dashed). b , Conceptual illustration of small-scale convection (SSC) interacting with the Hawaiian plume. Undulations on the base of the lithosphere (washboard pattern; dashed yellow line) were created by SSC in the ambient mantle. 有一系列的有关夏威夷火山作用的观测是无法用上述经典理论来解释的。首先，沿夏威夷 - 皇帝链的平均火山 flux 在一般 ~15 Myr 尺度内变化大于 2 倍之多。其次，火山熔岩地球化学特征的不对称性目前还不清楚。最后，广泛发育的远离夏威夷热点的次级火山作用目前仍难于解释成因（ Fig.1a ）。本研究模拟表明，岩石圈下小规模对流（ small-scale sublithospheric convection, SSC ）和夏威夷地幔柱的相互作用（ Fig.1b ）可以解释以上这些观测到许多重要方面。本模拟与前任动力学模拟研究的不同点在于，本模拟考虑了更大的尺度以及与温度紧密相关的地幔流变学性质，并同时模拟了地幔柱薄饼构造内外的 SSC 作用。详细的模拟条件和方法见原文 p458 第二段和补充材料。 Figure 2. Visualization of the central part of the reference model. a , Horizontal (at 130 km depth) and vertical cross-sections are coloured by potential temperature T pot . The hotspot and secondary melting zones are in black. Isotherms of 1,550 and 1,620 C are white. Black arrows show the direction and strength of ambient-mantle SSC 800 km upstream of the plume. See also Supplementary Movie . b , Vertical cross-section of T pot and viscosity η through the upwelling plume oriented perpendicular to plate-motion with contours denoting log 10 (η). Upper panel shows a blow-up of the yellow-shaded area. Light blue arrows show the schematic flow field indicating that the plume pancake spreads asymmetrically as guided by undulations in lithospheric thickness. 模拟结果预测了两种类型的 SSC 发育（ Fig.2a ）。一种是在通常地幔中， SSC 自组织于成熟的大洋岩石圈下面，可以控制大洋岩石圈的最大厚度和海底年龄降低。另外一种 SSC 发育在岩石圈下面地幔柱薄饼 (mantle-pancake) 构造内，更加普遍。前一种 SSC 可以在岩石圈底部形成“搓衣板”构造，岩石圈在上升流之上较薄而在下降流之上较厚（ Fig.2b ）。 Figure 3. Source and volume flux of surface volcanism. a , Colours give the pyroxenite contribution to volcanism (grey is no volcanism), and contours denote the rate of volcanism per area of seafloor. From outside to inside, dashed contours are at 0.01, 0.1, 1, and 10 km 3 km -2 Myr -1 . The solid contours follow the same log scale shifted by 10 0.5 . Pyroxenite contribution X PX in the centre of the hotspot is ~50%, but is slightly higher and lower along the Kea and Loa trends, respectively. This distinction persists through the postshield stage, as does the geochemical distinction between the two trends. Rejuvenated and arch volcanism shows relatively low (~40%) and high (97%, not shown) X PX , respectively. b , Dashed lines denote volcanic fluxes (km 3 Myr -1 per km of distance along the chain) for the Kea trend (red), the Loa trend (blue), and the total of both trends (black). The assumed feeding zones for the two trends are denoted light grey in a . Solid lines show the pyroxenite contribution for the same colour code, and elucidate the asymmetry of shield and postshield volcanism arising from the distribution shown in the map view in a. The bold black number indicates the total flux of hotspot volcanism in (km 3 Myr -1 ). Green and grey shadings denote the predicted durations of the major phases of Hawaiian volcanism (as defined by volume flux). 在模拟中，温度不同的 Kea 端和 Loa 端内熔融行为的差异（辉石岩源熔体比例 X PX 不同），是由 SSC 和地幔柱相互作用以及小规模成分不均一性造成的（ Fig.3 ）。而地幔中 SSC 的形态和强度对于夏威夷火山物质量也具有重要影响（ Fig.3b ），地幔柱与厚度不同的岩石圈相互作用能够引起火山物质量的变化，而这并不是深部地幔作用的产物。远离热点中心的地幔柱 - 薄饼构造中的 SSC 可以引起减压熔融，从而也可以解释广泛发育的次级火山作用的成因（ Fig.3a ）。更多详细内容请参考原文。; 个人分类: 最新论文介绍|8393 次阅读|0 个评论

流水为何不易结冰？: 热度 11 boxcar 2011-2-13 19:23; MicrosoftInternetExplorer402DocumentNotSpecified7.8Normal0 关键词：流水，结冰，热导率，对流，传热昨天李维老师又转了 Mirror 大侠的帖子“ 流水不易结冰的思考 ”【 1 】，里面简要地讨论了“流水不易结冰”这一现象。我基本赞同，但觉得还有些话没有说透，所以专门写篇博文作点儿进一步的分析，谈谈我对这个现象的认识。镜大侠认为：“ 水能否结冻，要看大气的冷却能力与被冷却物体的热容量之间的比较。水一流起来，单位时间内通过单位区域的物质量就多，热容量也就要变大。而这个单位区域里大气的冷却能力却是不变的。因此流水就要比静水难降温，因此也就比静水难结冰。 ”这个分析基本抓住了问题的关键，但却有点儿概念混淆，水如果上冻结冰，那就要不止要涉及一般意义上的热容量了，还要考虑结冰过程释放的相变潜热（即熔解热）。结冰的过程温度不变，但照样要放热，让水结冰，就必须把这部分热量带走。如果是河流或者湖泊里面的水要结冰，这热量主要是传给上方的冷空气直接带走的。传递的方式有几种：（ 1 ）在结冰开始前，水通过直接和冷空气接触换热，这时涉及的热传递既有热传导，还有水汽蒸发带走的热量（汽化热）；（ 2 ）通过河边湖畔的土壤等固态物体传导到它们与空气的接触面上再由冷空气带走；（ 3 ）已经开始结冰以后，在冰层下与水的界面处释放的相变潜热会通过冰层热传导到上表面（与冷空气的界面），再由空气带走。分析了这些相关的过程以后，我们才好去作关于流水不易结冰的进一步讨论。镜大侠主要分析了第一种传递方式，原则是基本正确的，虽然这可能还无法完美地解释流水不易结冰的现象，原因很简单，水是流动的不假，但空气通常也是流动，而且流动速度（风速）往往比水流速度更快。如果水不流动，让冷空气流动起来，结冰的速度只会更快而不会更慢，原因是冷空气一旦流动起来，单位时间内带走的热量会更多（所以我们在有风的冬日会感到格外的寒冷）。因为会有更多的冷空气与水面接触，而且流动的空气会降低水面附近的水蒸汽压，加速水的蒸发，带走更多的热量。这时候如果我来个偷换概念、拿相对运动说事儿，对镜大侠恐怕就很不利了（坏笑 ing ！）。空气的流动固然会加快结冰速度，而水本身的流动却很可能会减缓结冰速度，还有个可能原因是流动的水可能导致水上下层之间的对流。由于水的密度与温度的关系与其他物质大不相同，它在 4 ° C 存在一个密度最大值，这个温度的水是沉在最下面的，这样如果是一潭死水，无法由于温差的原因出现上下层对流了，此时的传热也只能靠热传导来缓慢地进行。可水一旦流动起来，情况就会大不相同了。在很理想的光滑底面的水渠中流动或许可以保持完美的层流状态，一旦水底的某些对流动其阻碍作用的障碍物，水的层流就会被破坏，就可能在一定范围内产生一些漩涡、湍流，而这些漩涡和湍流，就有可能使底部较高温度 ( 最高也就 4 ° C) 的水向上流动，而上面较低温度的水向下流动，这样带上来的热量阻碍表层水的降温和结冰。此外，结冰和其他相变一样，也需要先有个足够大晶核然后再逐渐长大。结冰过程所形成的晶核的密度比水小，只能漂浮在水面上，如果水始终是流动的，晶核与水的界面就不会太稳定而容易受到影响。我们所说的结冰，其实是肉眼能看到的大块的冰，在水保持流动的情况下，水面的浮冰容易因水面的起伏和互相逐渐的碰撞而被破坏，结冰效果自然也就大受影响。最后，我再解释一下另一篇描述流水不结冰现象的博文【 2 】中提到的两个现象： (1) 为什么从河岸到河心，冰层厚度从厚到薄？一般的河流，都是两边浅中间深的，这也就决定了最高温度的水应该在最深的河心下方，而靠近河岸的水浅处水温会比较低，加上散热的途径有水 - 空气换热和水 - 岸 - 空气两个，而且靠岸边可以有更多的凝结核，流速还缓慢，所以自然更容易结冰。相比之下，河心部位的流速更快，传热途径单一而且效率低下，所以不易结冰。其结果就是结冰的过程是从河岸到河心逐渐进行的，越靠河心冰层越薄。 (2) 为什么桥墩下不易结冰？桥墩之所以不易结冰，一个原因在于桥墩扰动了水流，让下层的“高温水”上翻到表层，“加热”了表层的水，破坏了结冰的条件。此外，流动的水在冲刷桥墩时也会有一部分动能转变为热能，同样产生“加热”的效果。参考：【 1 】李维：流水不易结冰的思考 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=362400do=blogid=412328 【 2 】 http://blog.sina.com.cn/s/blog_5123553d0100bwu2.html; 个人分类: 科普|25430 次阅读|41 个评论

浅析“阳光照射能产生的最高温度是多少”: boxcar 2010-9-14 08:00; 阳光照射能产生的最高温度是多少？这是李铭老师在其博文【 1 】中提出的问题，下手很快 Mirror 大师评论了【 2 】，指出了些问题单没直接给答案，也有张骥博友也评论了。俺看到这个问题，也挺感兴趣的，今天没别的博文题目好写（最热门的话题太火，博文已经很多了，多我一篇也增加不了多少热度，不写也罢），就来说说这个问题，毕竟不能忘了物理这个本行呀！以下是原文转载李铭老师的问题：我们都知道，把太阳光聚焦，能点燃纸张，温度可达二、三百度。但是，这不应该是阳光能达到的最高温度。谁能说说，这个最高温度是多少，有什么办法可以接近这个最高温度。分析如下：第一句话，说的是可以通过聚焦把纸张点燃，即把纸张的表面加热到其在空气中的着火点，这个实验许多人都做过，调皮的孩子可能还用凸透镜烧过蚂蚁啥的小虫子（有点残忍，请勿模仿）。在空气中纸是到了温度、吸收的能量也满足点火条件就会被点燃，不会进一步升温的，所以纸张不是一个好的试验样品。其实精确地测量一下这个温度也并非难事，在透镜焦点放一个热电阻或热电偶的测温头接上仪表观察一下温度数据就行，当然，同样要注意这个温度不能超出测温元件正常的工作温度范围。第二句话，直接断定 200~300 度（我理解应该是摄氏度）不是阳光（聚焦）能达到的最高温度。这没啥说的，补上几个字应该不会有异议或歧义。第三句话，提出了有点儿挑战性的问题，前半部分是理论，后半部分是技术，稍微一个不慎就可能落入陷阱或沟壑，这才是我要重点作答的。先说理论上的。太阳光通过凸透镜或者凹面镜聚焦，在焦点附近可以达到非常高的能流密度，焦斑越小则能流密度越大，相对于给被照射物体表面单位面积提供的加热功率越大。如果物体表面能够吸收聚焦过来的阳光能量，则其表面温度会迅速上升。问题的关键是上升的最高温度是多少？其实，但凡要出现极大值或者极小值，都要存在至少两种具有相反变化趋势的因素，二者达成平衡时会才出现极值。在这个阳光照射问题中，导致物体温度上升的因素是阳光辐射能量（热量）的不断吸收和蓄积，导致物体温度不会进一步上升的因素是被照射区能量（热量）的流失。流失的途径有 3 个：（ 1 ）热传导，即物体表面被加热温度升高时，热量会从表面向其内部传导；（ 2 ）热对流，表面附近有气体流过会带有部分热量；（ 3 ）热辐射，表面会向周围空间以热辐射的方式散发能量。这三个途径无一例外地都是随着表面温度的升高而不断加强的，前两者大致和温度差成线性关系，而热辐射则正比于热力学温度的四次方（在高温时表现最为抢眼），因此温度升高意味着散热会更多，所以温度升高到某个值时就会达到吸收热量和散发热量的平衡点，此时出现最高温度。具体这个温度是多少，如果给定了表面吸收率（黑度）、表面形状、热导率、气流参数（密度、比热、粘度、风速等）、透镜直径、透镜表面反射率和吸收率和焦斑大小等必要的参数和边界条件及初始条件后，可以从理论上去计算。看这一大堆计算挺麻烦的，最高温度的不可逾越的理论上限是多少其实很好回答，就是太阳的表面温度，请各位记住，无论如何也绝对不会超这个值。因为即使没有其他形式的传热，只剩下辐射这一种机制，按照黑体吸收来考虑，最理想的情况也就是阳光吸收体最后和太阳表面达到热平衡（其实根本做不到，能达到的最高温度比太阳表面低得多）。如何能达到最高温度，是个技术问题，按照前面的理论分析，我们知道，最大限度地减小散热和提高能流密度是关键。背光面用绝热材料（热导率极低，但其实再低也不会为 0 ）进行包裹，为了避免对流散热抽真空灯都是可以使用的手段。当然为了提高能流密度，让光线会聚形成的光斑面积要尽可能地小（不过再小也不会是真正的几何点）。以上是本人对此问题作出的一点浅析，欢迎博友和读者们讨论。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 参考：【1】李铭：阳光照射能产生的最高温度是多少？ http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=362738 【2】李维：李老师总是好问，镜某都不好意思答了 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=362817 本文贴上去以后，引起了一些反响：杨秀海： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=362876 李维： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=362892; 个人分类: 诗词|20186 次阅读|12 个评论

热的三种传导方式及其利用: fanxiaoyingz 2010-6-3 13:25; 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 ）， K T ＝ e T ，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 E Tb = T 4 ，式中 =5.67 10 -8 W/ （ 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（ m ）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 mT =C ，上式称维恩位移定律。如果波长以微米为单位，则常数 C=2896 m K 。于是式为 mT=2896 m 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。; 个人分类: 农林科技|14911 次阅读|2 个评论

从“针鼻儿大的窟窿，斗大的风”说起: 热度 1 boxcar 2010-1-1 22:23; 我曾经在前面的博文里面说过，今年的冬天东北贼冷。到了最近几天，哈尔滨的户外最低气温已经降到了-32C，最高气温也仅仅-23C。很不幸，我所在的实验楼虽然外观设计得够漂亮，但结构却很不合理，更不幸的是，我的办公室所在的2楼举架很高（4.5米！），窗户高大，可暖气却并不好，室内的温度大概只有12~15C吧，所以每个冬天都让我很受寒冷之苦。由于碰巧夏天的时候塑钢窗的下面出了点儿小毛病，漏了到缝，结果到了冬天就从那里往室内灌入冷风，真正让我体会到了小的时候听妈妈说过的一句老话针鼻儿大的窟窿，斗大的风！今天晚上有点儿闲暇时间，就坐在比较温暖的家中，写下这篇博文，从物理学的角度分析一下为什么这么小的一个窟窿（孔洞）会有如此严重的后果。说针鼻大的窟窿，是形容孔洞很小，截面积在平方毫米量级；说斗大的风，却是形容风很大，估计单位时间的空气流量在升（立方分米）这个数量级，看来这两个形容都够夸张，但如果真正在漏风的地方感受一下，会觉得夸张得好，极为传神。其实，风的本质就是空气的流动，而自然条件下空气流动产生的根源则通常是压差和温差等，生活中的经验告诉我们，在有较大温差的场合，风一般都会比较大。在室外滴水成冰的寒冬，室内外的温差可以达到30~50C！显然此时温差是很大的。值得我们注意的是，室内外温差虽大，但由于保持着气体的连通，所以室内外的气压却基本相同。那么室内外温度不同、气压相同会导致什么结果呢？它会导致室内外气体分子的数密度不同。学过大学物理热学以后，我们都知道，理想气体的状态方程可以写成：（1）式中P就是气体压强，k是玻尔兹曼常数，T是热力学温度，n是气体分子的数密度。做一个变形（2）如果气压相同，即 P 1 = P 2 ，而室内温度 T 1 T 2 （室外温度），则必然导致n1n2，即室内的气体分子数密度较低，室外则较高，按照我们前面估计的温差，初步估计室内外气体分子数密度会相差10%~20%，显然，这是一个不小的差值。现在我们想象，从一个不大的孔洞有冷空气进入室内，则这部分空气在进入后会和周围的较高温度的空气接触，可以互相扩散并发生热传递。在传热的过程中，刚进入的冷空气的温度会升高（其实是分子的平均速率变大），而室内附近较热的空气温度会降低（分子平均速率变小），假设只考虑热导而暂时忽略扩散效应，按照公式（1），如果先假定数密度不变，那么外来的、原来密度较高的冷空气会由于温度上升而气压升高，而室内的、数密度较低的热空气由于温度降低而气压下降，这样就形成一个冷进热退的态势；加上先期进入的冷空气随后被加热后密度降低而发生上浮的效果，这样一来就会出现在漏风孔洞附近室内局部气压偏低的环境，更容易把外面的冷空气引进来，形成较强的、吹向室内的冷风，形成了所谓斗大的风。由于吹入的风温度很低，即使和室内空气混合后也不容易迅速达到热平衡，所以吹到人身上会感到非常寒冷（室内的人一般衣着不厚）。需要说明的是，这种冷风吹入通常在较低部位的孔洞处发生。上述分析是在假定室内外温差较大、但基本没有明显气压差的情况下进行的。如果室内外存在气压差，那么气压带来的空气流动的效果可能更明显，例如，厨房在烧水煮饭的时候，会看到大量水汽从门缝冒出去，这是因为在烧水和煮饭的时候，不断有水被加热汽化，空气中的水分子不断增加，数密度是趋向于增大的，于是使得室内的气压略高于室外，所以气体可能主要是向外冒的，特别是在高处的孔洞或者缝隙，现象极为明显，但即使在此时，低处仍有可能有冷风灌入。以上是我对房间漏风现象的观察和分析解释，欢迎大家讨论。麻庭光老师的新博文烟气流动靠压差 --兼论针眼窟隆斗大风从专业的角度分析了这个现象。 http://www.sciencenet.cn/m/user_ content.aspx?id=283767; 个人分类: 科普|12111 次阅读|11 个评论

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