为什么冷冻室里的纸不觉得冷?
同样-18°C,金属刺手而纸不冷。手感受到的不是温度,而是热量逃离的速度——热传导率。
从冷冻室里同时拿出金属碗和纸袋。
一碰金属碗,手指刺痛般地冷。可同时拿出的纸袋几乎不觉得冷。两个明明都在-18°C里。
同样的温度,冷感不应该一样吗?为什么不同?
常见答案:"纸是绝缘体所以不冷"或"金属本来就冷"。部分对。但本质在别处。
我们手感受到的"冷",其实不是温度本身。
手测的不是温度,而是热量逃离的速度。
手约33°C。冷冻室里的物体都是-18°C。手一接触物体,热量从手流向物体。手感受到的"冷"的强度,与这个流速成正比。
流速由热传导率(thermal conductivity)决定。 铜 401 铝 237 不锈钢 16 玻璃 1.0 塑料 0.2 纸 0.05 空气 0.025 (单位 W/m·K · 越上越快)
金属 = 自由电子多,热量传得快。手到金属热量倾泻而入。所以手强烈感冷。
纸 = 纤维素 + 小空气孔。空气几乎是绝缘体。手到纸的热流非常慢。所以手几乎不感冷。
同样-18°C,但手散热速度差约4,700倍(237 vs 0.05)。即"冷" = "热量快速逃离",不是温度本身。
下图是手和-18°C的物体(金属/玻璃/塑料/纸/冰)。切换物质,手到物体的热流箭头的粗细和速度会改变,手的颜色也变。下方的柱状图比较五种物质的热传导率。逐步查看:为什么同样-18°C的物体,感受到的冷却不同。
接触冷感示意图 — 箭头粗细/速度 = 热传导率(同样-18°C,不同散热速度)。
[冬天金属门把手 vs 木门把手] 同样室外温度,金属刺手,木门把手温和。金属不是更冷,而是从手抽热更快。
[羊毛袜 vs 赤脚踏瓷砖] 瓷砖不是更冷。是热传导率高,从脚抽热更快。羊毛靠空气孔绝缘。
[100°C的桑拿空气 vs 100°C的沸水] 同样温度,桑拿能忍,手放水里立刻烫伤。水比空气快约25倍传热到皮肤。
[低体温症(hypothermia)] 4°C空气与4°C水。空气可挺数小时,水中几分钟就危险。热传导率高,散热快,危险也快。
[木质冰棒棍] 冷冻冰棒用木棍握着没事。木是绝缘体(0.13 W/m·K)。金属棒会冻手。
[铝制手机壳] 冬天从口袋拿出觉得冰冷。铝热传导率高。实际温度与口袋内一样。