电热水瓶工作原理

大多数人都拥有或熟悉“热水瓶”（也称作真空瓶或杜瓦瓶）。我记得童年时我的午餐盒就附带这么一个瓶子。如果妈妈在里面放了葡萄汁，午餐时我就能喝到美味、凉爽的葡萄汁。如果第二天她在里面放了热汤，午餐时我就能喝到热汤。我还记得我曾问道，“它怎么知道要保持里面的东西热还是冷呢？”换句话说，就是它的转换开关在哪里？或者，“烤箱可以加热东西，冰箱可以冷却——这个东西怎么两样都可以做呢？”在本篇博闻网文章中，我们将了解热水瓶如何“知道”该做什么。

假如您把一杯冰水或一碗热汤放在厨房的桌面上。您知道将会发生什么：那碗热汤将冷却到室温，而那杯冰水将回复到室温。这就是生活中的热力学，如果任何两个不同温度的物体在一起，热传递将使它们达到相同的温度。所以，“房间”和“热汤”会通过热度传递过程达到相同的温度——房间稍微变热，汤却凉了许多。

如果您想让一碗汤尽量长时间地保温，也就是说，如果您想尽量减缓热传递的过程，您就需要让造成热传递的三个过程慢下来。这些过程是：

传导。让我们先回答一个简单的问题：什么是热？热就是原子的运动。原子的“热”可以用它的速度来代表。在绝对零度（absolute zero）时没有原子运动。但是，当原子变热时，它们就会开始运动。当一个原子与其他原子发生碰撞时，就会传输热量。这种情况与台球碰撞有点类似，第二个原子得到了第一个原子的一部分运动能量。热量就是通过这些碰撞传输的。

这一现象的最佳例子就是，拿一根金属棒并加热它的一端，另一端通过传导就会变热，然后变烫。当您把金属平底锅放在炉子上时，热量通过锅底部的金属进行传导，锅里就会变热。一些材料（如金属）的导热性要优于其他材料（如塑料）。

辐射。原子运动的另一种效应是振动，振动导致了一种意想不到的现象——红外辐射。根据《大不列颠百科全书》，“化学键束缚的原子或原子团的旋转和振动可以吸收和发射红外辐射，因而有许多种材料都可以吸收和发射红外辐射。”红外辐射是光的一种形式。

我们的眼睛看不到红外线，但是我们的皮肤可以感受它。我们接收到的太阳能大约有一半是不可见的红外辐射，其余就是我们可以看见的光。像可见光一样，红外线也可以被镜子反射，也更容易被黑色物体吸收。当红外线被吸收时，它可以造成原子运动，进而导致温度的上升。常见的红外线的例子有，您感受到电暖气或一块烧红的金属发射的热，您感受到壁炉中的砖发出的热，即使壁炉中的火已熄灭，以及太阳落山后您感受到的混凝土墙发出的热。

对流。对流是液体和气体的一种属性。发生的原因是，液体或气体变热的部分会上升到其余部分之上。这样，如果您把一碗热汤放在餐桌上，它会加热碗周围的一部分空气。而由于该部分空气比周围的空气热，它就会上升。冷空气会填充留下的空间。然后，这部分新的冷空气又被加热并上升，如此循环，可以设法加快对流速度，这就是对着热汤吹气可以让它快点凉下来的原因。如果没有对流，热汤保热的时间会长得多，因为空气是热的不良导体。

当您站在篝火旁时，您可以观察到所有这三种传热递过程：

对于像这么大的篝火，您可能需要站在至少6米之外。让您远离篝火的是红外辐射发射出的热。火焰和烟通过对流被带到上方：篝火周围的空气被加热而上升。篝火下面1米的土地将会因热传导而变热。土壤的顶层被辐射直接加热，然后，热量逐层传导至更深的土地。

要制作一个好的热水瓶，您需要做的就是尽可能地减少这三种热传递现象。

要制作像热水瓶那样的容器，一种方法是拿一个罐子，用泡沫绝热材料把它包裹起来。绝热材料之所以起作用，有两个原因。首先，泡沫中的塑料是热的不良导体。其次，泡沫中截留的空气更不利于热的传导。因此会降低传导性。由于空气被分隔成极小的气泡，因此泡沫绝热材料在很大程度上还起到了消除泡沫内部对流的作用。所以，经过泡沫的进行的热传递就非常少。

事实表明还有比泡沫更好的绝热体——真空。真空就是没有原子。“完全真空”不含任何原子。要实现完全真空几乎是不可能的，但是可以做到接近真空，没有了原子，就可以完全消除传导和对流。

热水瓶里有一个抽成真空的玻璃瓶胆。热水瓶内部是玻璃层，而玻璃周围是真空。玻璃瓶胆容易破，所以将它包在塑料或金属外壳内。许多热水瓶其实是可以旋开并取出玻璃瓶胆的。

热水瓶还更进了一步。玻璃进行了镀银处理（像镜子那样），以减少红外辐射。真空和镀银的结合大大减少了对流、传导和辐射造成的传热。

那么为什么热水瓶里的东西最终会冷却下来？在图中，您可以看到有两个传热的路径。其中比较大的是瓶塞，另一个就是玻璃，它在热水瓶顶部内外壁交接的地方产生了一个传热的路径。虽然通过这些路径进行的传热很少，但并不是没有。

热水瓶是否知道里面的液体是热是冷？不知道。热水瓶所做的只是限制通过热水瓶壁进行的传热。那样可以使热水瓶里面的液体长时间保持温度几乎不变，无论是热还是冷。

如果您喜欢做实验，您可能想通过一些实验来比较各种绝热方式和热水瓶之间的差异。或者，您可能想改进热水瓶的性能。最终的问题就是“您是否能让一杯咖啡保温一整天？”：如果您可以肯定地回答这个问题，您就可以凭借它创建一个商业帝国了……

一个调查途径就是更好地了解您的热水瓶：拿一个热水瓶。向里面注满沸水并盖上瓶塞。每隔一两个小时用温度计测量一次它的温度，观察温度曲线。

如果您把热水瓶放到泡沫保温盒中，是否会有什么变化？如果把热水瓶倒立放置在保温盒中一个白天，会有什么效果？

您可以尝试的另一件事情是，做一组实验来找出不同材料的绝热值。找几个可以与热水瓶盛装相同体积液体的罐子，然后尝试使用不同的材料给它们绝热。试试家中像泡沫、羊毛、铝箔、塑料、报纸之类的东西，也可以组合起来使用，还可以试验不同的厚度。您可以了解很多有关不同材料导热性的问题！

在这一点上，一个经常问到的问题是，“如果真空是那么好的绝热体，那么如何冷却太空船？”太空船中积聚的热量来自它的电子设备、燃料电池、火箭引擎以及接收到的太阳辐射，等等。所有这些热量必须有个去处，否则太空船就会过热。但是，太空船是飘浮在世界上最大的热水瓶（外太空的真空）中。那么太空船如何处理它多余的热量呢？

原来散热是太空船设计过程中一个相当重要的部分。例如，如果您看一下此页，就会发现Skylab（太空试验站）有一个镀金涂层，用来反射来自太阳的红外辐射，还有一个大型散热器来消散积聚的热量。太空散热器只能使用红外热辐射来消散热量，所以它必须比地球上类似的散热器大出许多。在地球上，对流在冷却过程中起主要作用，因此几乎所有散热器都使用风扇来增强对流效果。同样，太空船货物港门的内侧也装有散热器。一旦太空船进入轨道，工作人员首先要做的事情之一就是打开这些门进行辐射散热。那么，如果太空是一个巨大的真空，而真空是一个绝热体，为什么宇航员在太空行走时会冻手呢？冻手问题实际上是一个非常有趣的问题。

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