生活中我們是否經(jīng)常會有這樣的疑問，例如，冬天的棉被經(jīng)過拍打之后為什么感覺特別暖和？為什么要及時清除冰箱內(nèi)的結(jié)霜，否則耗電量會增加？住新房為什么感覺比住舊房更冷？
其實(shí)這些現(xiàn)象都離不開一個重要的物理量——導(dǎo)熱系數(shù)。那么什么是導(dǎo)熱系數(shù)呢？它的研究經(jīng)歷了哪些階段？上面提到的現(xiàn)象到底該如何解釋？不要急，我們先從導(dǎo)熱系數(shù)的研究史說起——導(dǎo)熱系數(shù)的研究歷史。
說起對導(dǎo)熱系數(shù)的研究，那要追溯到18世紀(jì)30年代。英國工業(yè)革命催生了“傳熱學(xué)”的興起。
我們都知道，熱量傳遞有三種方式——傳導(dǎo)、對流、熱輻射。這三種傳熱方式的基本理論的確立，都經(jīng)歷了一個特別的過程。為了方便大家理解，就來扒一扒它們的研究史吧！
一、導(dǎo)熱研究
18世紀(jì)至19世紀(jì)初，英國化學(xué)家布萊克提出“熱素說”，認(rèn)為熱是一種沒有質(zhì)量，沒有體積的流體物質(zhì)，熱素可以進(jìn)入一切物體內(nèi)部，物體含有熱素越多，溫度就越高，反之則越低。這顯然是一種錯誤的解釋，因?yàn)樗荒芙忉屇Σ辽鸁岬默F(xiàn)象。
1798年，倫福特鉆炮筒大量發(fā)熱試驗(yàn)和1799年的戴維用兩塊冰摩擦生熱轉(zhuǎn)化為水的實(shí)驗(yàn)，推翻了這一假說，確立了熱源來源于物體本身內(nèi)部的運(yùn)動。
1804年，畢渥根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了每單位時間通過每單位面積的導(dǎo)熱熱量正比于兩側(cè)表面溫差，反比于壁厚，比例系數(shù)是材料的物理性質(zhì)。
1822年，傅里葉發(fā)表《熱的解析理論》，正確概括了導(dǎo)熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，被稱為“傅里葉定律”，公式如下：
其中為單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，A為熱量通過的截面積，為垂直于截面上的溫度變化率。
他推導(dǎo)的導(dǎo)熱微分方程是導(dǎo)熱問題正確的數(shù)學(xué)描寫，成為求解大多數(shù)工程導(dǎo)熱問題的出發(fā)點(diǎn)。因此，傅里葉被公認(rèn)為導(dǎo)熱理論的奠基人。
傳導(dǎo)過程的特點(diǎn)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，依靠分子，原子及自由電子的熱運(yùn)動傳遞能量。固體，液體，氣體都會發(fā)生熱傳導(dǎo)。
舉個簡單的例子，對于導(dǎo)電的固體（如金屬）來說，自由電子的運(yùn)動在導(dǎo)熱過程中起著主要的作用。
二、對流傳熱
1823年，維納提出流動方程可以適用于不可壓縮的流體，該方程1845年經(jīng)斯托克斯完善，建立了流體流動的基本方程。
1880年，雷諾提出一個無量綱的物理群（雷諾數(shù)）概念，1880-1883年間，雷諾進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)流動層流向湍流的轉(zhuǎn)變發(fā)生在雷諾數(shù)1800~2000之間，該發(fā)現(xiàn)對指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義。
1904年，普朗特提出邊界層的概念。
1909年和1915年，努賽爾發(fā)表兩篇論文對強(qiáng)制對流和自然對流的基本微分方程及邊界條件進(jìn)行量綱分析，獲得了有關(guān)無量綱數(shù)之間的原則關(guān)系。
1921年，波爾豪森在流動邊界層概念的啟發(fā)下又進(jìn)行了熱邊界層的研究。1930年，他與施密特與貝克曼合作，成功求解了豎壁附近空氣的自然對流傳熱。
單純的流體的對流傳熱過程與傳導(dǎo)過程不同，它是物體各部分之間發(fā)生了相對位移，如熱對流，熱的氣體向上擴(kuò)散，冷的氣體向下沉積，達(dá)到傳熱的效果。
三、輻射傳熱
1889年，盧默等人測得了黑體輻射光譜能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
19世紀(jì)末，斯特潘和玻爾茲曼建立了著名的斯特潘——玻爾茲曼定律，即黑體輻射力與絕對溫度的四次方成正比的規(guī)律。
1900年，普朗克提出了“能量子”假說，即認(rèn)為能量并不是連續(xù)的，而是一份一份的傳播。
熱輻射過程的特點(diǎn)是，它是自然界各種物質(zhì)通過電磁波的形式傳遞熱量的一種方式，這種方式與傳導(dǎo)和對流不同的特點(diǎn)是不需要介質(zhì)，真空條件也可以進(jìn)行熱輻射，其熱輻射的能力取決于物體的溫度。
導(dǎo)熱系數(shù)與我們生活的密切聯(lián)系
嘮完了導(dǎo)熱系數(shù)的研究歷史，相信大家對它有了一個初步的了解，接下來我們就要進(jìn)入今天的重頭戲了——開篇提到的幾個生活現(xiàn)象，到底跟導(dǎo)熱系數(shù)有著怎樣的關(guān)系呢？想知道的小伙伴們，跟著一起往下看吧！
問題1：冬天，棉被經(jīng)過曬后拍打，為什么覺得特別暖和？
對這個問題的解釋，首先很自然的想到太陽曬過后，棉被變暖和，是因?yàn)樘柟猓姶挪ǎ┑妮椛鋫鳠帷？墒牵绻窃诙斓脑缟希瑳]有陽光或者陽光不強(qiáng)的時候，為什么通過拍打棉被也可以使得棉被變暖和呢？
原來，經(jīng)過拍打之后的棉被，大量的空氣進(jìn)入棉絮空間，使得棉被變的蓬松，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于棉絮的導(dǎo)熱系數(shù)，這樣使得棉被整體的導(dǎo)熱系數(shù)比拍打前降低很多。導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫效果就越好，因此，拍打棉被可以提高棉被的保溫效果，所以即使在陽光不充足的情況下，棉被也會變得更加保暖。
問題2：為什么要及時清除冰箱里的結(jié)霜，否則耗電量會增加？
對這個問題的解釋，主要應(yīng)考慮“結(jié)霜前”與“結(jié)霜后”冰箱發(fā)生的變化。冰箱的制冷主要是通過液態(tài)的制冷劑流減壓后汽化吸熱，在蒸發(fā)器中通過蒸發(fā)器的管壁傳遞熱量至熱的空氣，使得冷藏室或冷凍室的熱空氣溫度降低，這里面存在蒸發(fā)器的管壁和熱空氣的換熱過程。如果冰箱冷藏室或冷凍室的壁面溫度很低時，熱空氣會遇冷凝華，直接從氣態(tài)變成固態(tài)，即“結(jié)霜”，所產(chǎn)生的“霜”在蒸發(fā)器和熱空氣之間形成了一個熱阻，因此，要使得冷藏室或冷凍室達(dá)到相同的溫度，必須使得空氣壓縮機(jī)的功率提高，這樣才能獲得溫度更低的制冷液，以及制冷液的汽化吸熱量。因此，當(dāng)冰箱結(jié)霜時，如不及時清除結(jié)霜，耗電量會增加。
問題3：住新房和住舊房的感覺是否一樣？
我們是否會有這樣的感受，剛剛蓋好的新房，裝修入住時會感覺很冷，而住老房子反而會感覺暖和點(diǎn)？其實(shí)，這里也蘊(yùn)含著導(dǎo)熱的知識。新房和舊房的差別主要體現(xiàn)在建筑材料的含水上。新房由于剛剛建好，其混凝土，還有各種涂料都含有較多的水分，這些水分填充在磚瓦的孔隙中，使得墻壁整體的含水量較高。而住的老舊的房子，這些水分都得到充分的揮發(fā)。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)(0.6W/(m?K))遠(yuǎn)大于空氣(0.026W/(m?K))，所以使得含水墻壁的導(dǎo)熱系數(shù)(1.0W/(m?K))大于干燥墻壁的導(dǎo)熱系數(shù)(0.35W/(m?K))。
問題4：在寒冷的北方地區(qū)，建房磚采用實(shí)心磚還是空心磚好？
這個問題的解釋與問題1類似，主要問題在于空心磚中含有大量的空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于磚本身的導(dǎo)熱系數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)越小，墻體的保溫效果就越好。因此，采用空心磚更能起到保溫的作用。其實(shí)，在建筑設(shè)計(jì)方面，建筑保溫是一項(xiàng)重要的考慮因素。除了磚以外，其它的例如地面保溫、室內(nèi)墻體保溫、屋頂、外墻保溫，應(yīng)用非常廣泛。地板下鋪的擠塑板，外墻中的聚氨酯復(fù)合板，這些都是重要的建筑保溫材料，這些材料往往具有多孔結(jié)構(gòu)，有些材料的孔隙率甚至超過99%，其目的也是利用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于固體，達(dá)到保溫隔熱的效果。
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