熱水瓶

熱的傳遞方式有三種：熱的輻射、熱的對流、熱的傳導。

假如您把一杯冰水或一碗熱湯放在廚房的桌面上。您知道將會發生什麼：那碗熱湯將冷卻到室溫，而那杯冰水將回復到室溫。這就是生活中的熱力學，如果任何兩個不同溫度的物體在一起，熱傳遞將使它們達到相同的溫度。所以，“房間”和“熱湯”會通過熱度傳遞過程達到相同的溫度——房間稍微變熱，湯卻涼了許多。如果您想讓一碗湯盡量長時間地保溫，也就是說，如果您想盡量減緩熱傳遞的過程，您就需要讓造成熱傳遞的三個過程慢下來。這些過程是：

為什麼能保溫：

熱水瓶有兩個瓶膽，它是由玻璃製成的用，泡沫把它包裹起來，而玻璃和泡沫是熱的不良導體，並且夾層是真空的，有效地防止空氣進入為了防止輻射，瓶膽壁上鍍上一層銀，使之成為鏡面狀態，可以反射光和熱。輻射熱碰到這光滑的鏡面，就會被反彈回去，良好保溫。斷絕瓶內與瓶外的熱交換，使瓶內的“熱”出 不去，瓶外的“冷”進不來。但熱水瓶中的熱水不可以永久地不會冷卻下來，當今熱水瓶的隔熱並不那麼理想，仍然有一部分熱能夠跑出來，因此熱水瓶的保溫時間有一定限度。

先回答一個簡單的問題：什麼是熱？熱就是原子的運動。原子的“熱”可以用它的速度來代表。在絕對零度（absolute zero）時沒有原子運動。但是，當原子變熱時，它們就會開始運動。當一個原子與其他原子發生碰撞時，就會傳輸熱量。這種情況與桌球碰撞有點類似，第二個原子得到了第一個原子的一部分運動能量。熱量就是通過這些碰撞傳輸的。這一現象的最佳例子就是，拿一根金屬棒並加熱它的一端，另一端通過傳導就會變熱，然後變燙。當您把金屬平底鍋放在爐子上時，熱量通過鍋底部的金屬進行傳導，鍋里就會變熱。一些材料（如金屬）的導熱性要優於其他材料（如塑料）。

原子運動的另一種效應是振動，振動導致了一種意想不到的現象——紅外輻射。根據《大不列顛百科全書》，“化學鍵束縛的原子或原子團的旋轉和振動可以吸收和發射紅外輻射，因而有許多種材料都可以吸收和發射紅外輻射。”紅外輻射是光的一種形式。

眼睛看不到紅外線，但是皮膚可以感受它。接收到的太陽能大約有一半是不可見的紅外輻射，其餘就是可以看見的光。像可見光一樣，紅外線也可以被鏡子反射，也更容易被黑色物體吸收。當紅外線被吸收時，它可以造成原子運動，進而導致溫度的上升。常見的紅外線的例子有，您感受到電暖氣或一塊燒紅的金屬發射的熱，您感受到壁爐中的磚發出的熱，即使壁爐中的火已熄滅，以及太陽落山後您感受到的混凝土牆發出的熱。

對流是液體和氣體的一種屬性。發生的原因是，液體或氣體變熱的部分會上升到其餘部分之上。這樣，如果您把一碗熱湯放在餐桌上，它會加熱碗周圍的一部分空氣。而由於該部分空氣比周圍的空氣熱，它就會上升。冷空氣會填充留下的空間。然後，這部分新的冷空氣又被加熱並上升，如此循環，可以設法加快對流速度，這就是對著熱湯吹氣可以讓它快點涼下來的原因。如果沒有對流，熱湯保熱的時間會長得多，因為空氣是熱的不良導體。

當您站在篝火旁時，您可以觀察到所有這三種傳熱遞過程：

對於像這麼大的篝火，您可能需要站在至少6米之外。讓您遠離篝火的是紅外輻射發射出的熱。火焰和煙通過對流被帶到上方：篝火周圍的空氣被加熱而上升。篝火下面1米的土地將會因熱傳導而變熱。土壤的頂層被輻射直接加熱，然後，熱量逐層傳導至更深的土地。

要製作一個好的熱水瓶，您需要做的就是儘可能地減少這三種熱傳遞現象。

要製作像熱水瓶那樣的容器，一種方法是拿一個罐子，用泡沫絕熱材料把它包裹起來。絕熱材料之所以起作用，有兩個原因。首先，泡沫中的塑料是熱的不良導體。其次，泡沫中截留的空氣更不利於熱的傳導。因此會降低傳導性。由於空氣被分隔成極小的氣泡，因此泡沫絕熱材料在很大程度上還起到了消除泡沫內部對流的作用。所以，經過泡沫的進行的熱傳遞就非常少。事實表明還有比泡沫更好的絕熱體——真空。真空就是沒有原子。“完全真空”不含任何原子。要實現完全真空幾乎是不可能的，但是可以做到接近真空，沒有了原子，就可以完全消除傳導和對流。

熱水瓶里有一個抽成真空的玻璃瓶膽。熱水瓶內部是玻璃層，而玻璃周圍是真空。玻璃瓶膽容易破，所以將它包在塑料或金屬外殼內。許多熱水瓶其實是可以旋開並取出玻璃瓶膽的。

熱水瓶還更進了一步。玻璃進行了鍍銀處理（像鏡子那樣），以減少紅外輻射。真空和鍍銀的結合大大減少了對流、傳導和輻射造成的傳熱。

那麼為什麼熱水瓶里的東西最終會冷卻下來？在圖中，您可以看到有兩個傳熱的路徑。其中比較大的是瓶塞，另一個就是玻璃，它在熱水瓶頂部內外壁交接的地方產生了一個傳熱的路徑。雖然通過這些路徑進行的傳熱很少，但並不是沒有。

熱水瓶是否知道裡面的液體是熱是冷？不知道。熱水瓶所做的只是限制通過熱水瓶壁進行的傳熱。那樣可以使熱水瓶裡面的液體長時間保持溫度幾乎不變，無論是熱還是冷。

如果您喜歡做實驗，您可能想通過一些實驗來比較各種絕熱方式和熱水瓶之間的差異。或者，您可能想改進熱水瓶的性能。最終的問題就是“您是否能讓一杯咖啡保溫一整天？”：如果您可以肯定地回答這個問題，您就可以憑藉它創建一個商業帝國了……

一個調查途徑就是更好地了解您的熱水瓶：

1.拿一個熱水瓶。

2.向裡面注滿沸水並蓋上瓶塞。

3.每隔一兩個小時用溫度計測量一次它的溫度，觀察溫度曲線。

如果您把熱水瓶放到泡沫保溫盒中，是否會有什麼變化？如果把熱水瓶倒立放置在保溫盒中一個白天，會有什麼效果？

您可以嘗試的另一件事情是，做一組實驗來找出不同材料的絕熱值。找幾個可以與熱水瓶盛裝相同體積液體的罐子，然後嘗試使用不同的材料給它們絕熱。試試家中像泡沫、羊毛、鋁箔、塑料、報紙之類的東西，也可以組合起來使用，還可以試驗不同的厚度。您可以了解很多有關不同材料導熱性的問題！

在這一點上，一個經常問到的問題是：“如果真空是那麼好的絕熱體，那麼如何冷卻太空船？”太空船中積聚的熱量來自它的電子設備、燃料電池、火箭引擎以及接收到的太陽輻射，等等。所有這些熱量必須有個去處，否則太空船就會過熱。但是，太空船是飄浮在世界上最大的熱水瓶（外太空的真空）中。那麼太空船如何處理它多餘的熱量呢？

原來散熱是太空船設計過程中一個相當重要的部分。例如，如果您看一下此頁，就會發現Skylab（太空試驗站）有一個鍍金塗層，用來反射來自太陽的紅外輻射，還有一個大型散熱器來消散積聚的熱量。太空散熱器只能使用紅外熱輻射來消散熱量，所以它必須比地球上類似的散熱器大出許多。在地球上，對流在冷卻過程中起主要作用，因此幾乎所有散熱器都使用風扇來增強對流效果。同樣，太空船貨物港門的內側也裝有散熱器。一旦太空船進入軌道，工作人員首先要做的事情之一就是打開這些門進行輻射散熱。

某研究機構對盛了98天開水的五磅熱水瓶膽內壁的水垢進行了化學分析，所含重金屬量分別為鎘0．034毫克，鉛0．12毫克，鐵24毫克，砷0．21毫克，汞0．44微克。水垢的存在有使飲水中重金屬濃度增加的可能性。當用有水垢的熱水瓶改盛其他液體，特別是酸梅湯、啤酒等酸性液體后，沉澱於水垢中的一些重金屬元素就會因發生化學反應，重新溶解在水或其他液體里。當人們長期小量地把這些重金屬攝入體內，就有可能引起人體消化、神經、呼吸和造血系統的病變和功能障礙。所以，對這種水垢萬萬不可小瞧！為此建議人們應定期消除這種水垢「

把空瓶口附在耳朵上，回聲越大越好!

這是檢測水瓶膽有沒有破裂的一種方法，那些聲音是空氣流動形成的迴音，回聲越大越好!

在空瓶中導入半瓶至一瓶開水，蓋上蓋兒，大約三分鐘后，雙手捧住熱水瓶試溫，如果感覺熱，說明保溫性能不佳；如果不感覺熱，說明保溫性能好。

人在太陽光的照射下，會感 到身上熱乎乎的，這是因為太陽 的熱射到了身上，這叫熱的輻射。

防止熱輻射的最好辦法是把它擋回去，反射熱最好的材料是鏡子。

倒一杯開水放在桌子上，由於杯子里的水和周圍 空氣的流動，使得水溫逐漸變得 和周圍環境的溫度一樣了，這是熱的對流。

如果在杯子上加個蓋，就 把對流的道路擋住了。可 是這杯水依然會變涼，只是時間長些。這是因為杯子有傳熱的性質，這叫做熱的傳導。

熱水瓶膽用雙層玻璃做成，兩層玻璃都鍍上了銀，好像鏡 子一樣，能 把熱射線反射回去，這就斷絕了熱輻射的通路。把熱水瓶 的兩層玻璃之間抽成真空，就破壞了對 流傳導的條件。熱 水瓶蓋選用不容易傳熱的軟木 塞，隔斷了對流傳熱的通路。完善地把傳熱的三條道路都擋住了，熱就可以長久地保留下來。但熱水 瓶的隔熱並不那麼理想，仍然有一部分熱能夠跑出來，因此熱水瓶的保溫時間有一定限度。

熱水瓶的功能是保持瓶內熱水的溫度，斷絕瓶內與瓶 外的熱交換，使瓶內的“熱”出 不去，瓶外的“冷”進不來。如果在熱水瓶里放上冰棍兒，外面的“熱”同樣不容易跑 到瓶子里，冰棍也不容 易化。所以把熱水瓶叫做保溫瓶是科學的，因為它既 能保“熱”，也能保“冷”。熱水瓶能夠保溫，是由熱水瓶膽的構造特徵所決定的。原來，熱水瓶膽由兩層薄的玻璃外殼組成，兩層外殼之間抽去空氣，並在瓶膽一側鍍上一層薄薄的銀。熱水瓶膽有一個比它“身體”部分細得多的瓶口，瓶口上可以塞上軟木塞。正是這樣的構造使熱水瓶成了“心腸熱，外表冷”的保溫瓶。

當熱水瓶中灌入開水以後，熱水瓶的結構使水的熱量不能以通常方式進行傳遞：一是熱的對流被切斷。瓶內被加熱的空氣會尋找所有可能的“出口”往外跑，而外面的冷空氣也會無孔不入地鑽進熱水瓶里去。但是，由於瓶頸較細，又被軟木塞緊緊地塞住，因此熱對流的唯一通道被切斷。二是熱傳導被阻塞。雖然與金屬物品相比，空氣的導熱性能比較差，但瓶膽中的熱量仍然會通過玻璃外殼傳遞到瓶外的空氣中去。但是，由於瓶膽有兩層玻璃外殼，中間又抽成真空，因此熱傳導的媒介物——空氣變得非常稀薄，熱傳導的通道也被阻斷。三是熱輻射被杜絕。冬天，在太陽光下，會感到比較暖和，這正是太陽光的熱輻射造成的。由於熱水瓶膽鍍上了一層薄薄的銀，因此熱量的輻射受到了銀層的反射而被擋在瓶膽內部，這就使得熱輻射的途徑也被杜絕了。

理想的情況是，瓶膽把傳熱的三種方式都阻斷以後，熱水瓶中的熱水可以永久地不會冷卻下來。但是，實際上熱水瓶的隔熱效果並不那麼完善，因此熱水瓶的保溫總有一個時間的限度，超過這個時間限度，熱水瓶就不再保溫。

.熱水瓶為什麼能保溫呢？

熱的傳遞方式有三種：熱的輻射、熱的對流、熱的傳導。