宇宙空间非常寒冷,星际尘埃温度可达-260℃,而宇宙微波背景辐射温度为-270.15℃,只比绝对零度高了2.7K。而绝对零度是物质原子、分子停止热运动的最低温度,这只是一个理论上存在的概念。宇宙空间温度这么低,但如果我们人体暴露在太空中并不会因为寒冷而死亡,更不会瞬间冻结,甚至你也不会觉得冷,只会死于低压环境;当然国际空间站并不会去担心空间太冷,而去加热宇航员所在的太空舱,反而要增加额外的设备,加大散热面积去给空间站降温,这是为什么呢?
先了解下简单的概念:什么是热量?什么是温度?
所有物质都是由分子和原子组成的。而原子和分子总是以不同的方式随机运动(包括平移、旋转、振动)。原子和分子的运动就产生了热量或热能。因此所有物质都有热能。原子或分子随机运动得越剧烈,热量或热能也就越高。当然,我们用来衡量热能的温度也就越高。
上图为动力学模拟的水分子动画。绿色的线表示氧和氢之间的氢键。氢键比共价键要弱得多。然而,当大量氢键协同作用时,它们会产生很强的热效应。那么温度是什么?
温度是衡量物质分子运动的平均动能,是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。对于个别分子来说,温度是没有意义的。因为一些原子和分子的运动速度比另一些快。温度是给定系统中所有原子和分子能量的平均值。温度与系统中有多少物质无关。它只是系统能量的平均值。简单来说,温度就是人们用来恒星物体冷热程度的物理量。
那么热量是如何损失的?就是说,热能如何传递?
热能可以通过三种方式从一个地方转移到另一个地方:固体传导,流体(液体或气体)的对流,以及热辐射。但是这三种方法中:传导是传递热量最有效的方法。如果系统中存在温度差,热量总是会从较高的温度转移到较低的温度。
热传导
当两个物体在不同温度下相互接触时,就会发生热传导。热能从较热的物体流向较冷的物体,直到它们处于相同的温度。传导是热量通过物质分子的碰撞而发生的单向运动,在两个物体接触的地方,较热物体中运动较快的分子与较冷物体中运动较慢的分子发生碰撞。
当它们发生碰撞时,速度较快的分子将部分能量(动能)传递给速度较慢的分子。较慢的分子获得更多的热能(动能),并与较冷物体中的其他分子发生碰撞。这个过程一直持续,直到来自较热物体的热能完全扩散到较冷物体。
有些物质比其他物质更容易传热。固体比液体好,液体比气体好。金属是热的良导体,而空气是热的不良导体。当你接触比你的皮肤更热或更冷的东西时,例如当你在温水或冷水中洗手时,或者我们与热空气、冷空气接触,这就是典型的传导传热。这是热量损失最快、最有效的方式,这不用多说,暴露在冷空气中瞬间就能体会到什么叫热量流失。
对流:
在液体和气体中,对流通常是最有效的传热方式。当液体或气体中较热的区域上升到较冷的区域时,就会发生对流。当这种情况发生时,温度较低的液体或气体就会取代温度较高的区域。这个循环导致了一个连续的对流模式,热量被转移到较冷的区域。当我们在锅里烧水时,就会看到热对流。上升的气泡是水较热部分上升到顶部较冷的部分。我们还听过这样一句话“热空气上升,冷空气下降”这是对大气对流的一种描述。热量通过空气的循环而转移。
热辐射:
传导和对流都需要物质来传递热量。辐射是一种最低效的传热方法,它不依赖于热源和被加热物体之间的任何接触。例如,即使我们不接触太阳,我们也能感受到它的热量。热可以通过热辐射在真空中传播。热辐射(通常称为红外辐射)是一种电磁辐射(或光)。辐射是一种能量传输形式,由以光速传播的电磁波组成。不需要交换质量,也不需要介质。
当原子的高能电子下降到较低能级时,物体就会发出辐射。损失的能量以光或电磁辐射的形式发射出来。原子吸收能量也可以是电子“跃迁”到更高的能级。所有物体都吸收和发射辐射。当能量的吸收平衡了能量的发射,物体的温度保持恒定。如果能量的吸收大于能量的发射,那么物体的温度就会升高。如果能量的吸收小于能量的发射,那么物体的温度就会下降。
掌握了以上的知识,我们就可以完美地解决问题。
为啥国际空间站害怕过热,要专门增加散热面积来降温?
为啥人体暴露在空间中并不会瞬间冻结?相信你已经有答案了,但是我还是再重复下。
关于外层空间最常见的误解之一是,任何进入外层空间的东西都会立刻被冻结。但实际上,由于空间是真空的,没有任何介质来进行热传导而带走热量,热能只能是通过电磁辐射(光)的方式缓慢的损失,而这个电磁辐射还在红外波段,可想而知这个过程是多么的缓慢,以至于像白矮星已经死亡的恒星,也需要数万亿年的时间才能冷却下来,实际上它们可能是宇宙中最后的热点。下面再举个例子:
如果我们把手伸进预热好的烤箱,其中的空气和金属架子的温度是一样的,但只有架子灼伤皮肤,因为它是一种致密的结晶体,可以非常有效地传导热量,而空气是由质量和密度低得多的气体组成的,相比之下空气是一个不良的热导体。还有在冬天我们敢靠近火炉去通过热辐射取暖,但你绝对不敢用手去摸火炉。这些例子都说明了热传导比热辐射要高效得多。
还有在同样的温度下,金属物体就要比空气冷得多,你可以摸下身边的金属物体试一下,这是因为金属能更快的带走身体的热量。
而真空基本就不会发生热传递,所以热量损失的非常缓慢。而国际空间站上的设备众多,每一个都会产生热量,热量的大量积聚就是导致人员无法承受,因此国际空间站配备了充满循环氨的巨大空间散热器,以增加辐射面积。
人体呢?当我们瞬间暴露在太空,也只是通过热辐射损失身体的热量,所以我们可能并不会感觉到冷,就会因为低压肺破裂而死。