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第20章 不同颜色之中的热学

黑和白的热效应

两个完全相同的玻璃瓶,把其中的一个外面涂上黑色,另一个外面涂上白色。然后装进质量相同、温度相同的冷水,并各插入一支温度计,放在太阳下面晒。过一会儿即可发现,温度计的读数不再相同了,放在黑色玻璃瓶里的温度计指示的温度较高。这说明:黑色物体比白色物体吸收辐射热的本领强。

把这两个瓶里的水倒掉,重新换上质量相同、温度相同的热水,放到冷藏室里,过一会儿又可发现,两支温度计的读数又不相同了。这一次,放在黑色玻璃瓶里的温度计具有较低的读数。这说明:黑色物体比白色物体向外辐射热的本领强。

上面的两个实验告诉我们,热辐射与物体颜色的深浅有关。颜色越深的物体,吸收或者辐射热的本领越强;颜色越浅的物体,吸收或者辐射热的本领越弱。

炎热的夏天,人们喜欢穿白色或浅色的衣服,严寒的冬天,人们喜欢穿黑色或深色的衣服,就是为了适应不同的气候。

我国西北的高山上终年积有冰雪,山下却经常干旱。新中国成立后,政府便派飞机飞到雪山上空,撒下大量的碳屑,给白雪披上黑装,太阳一晒,冰雪就会融化,汇成水流,流下山来。

近年来,太阳能热水器得到了广泛的应用,它可以利用阳光为人们提供热水。这类装置虽然形式不同,但却有共同的特点:都有一个黑色的采热器。

冬天取暖的火炉涂成黑色,是为了增强火炉向周围辐射热的本领。为了降低幻灯机、变压器的温度,也常常把它们涂成黑色,以增强它们向外辐射热的本领。

宇宙空间没有大气,宇宙飞船只能靠辐射与外界交换热量,因此飞船“外衣”的颜色必须精心选择。一般飞船的外表面都涂成银白色或浅蓝色。当有阳光照射时,由于涂上这种颜色,可以防止飞船温度急剧升高;当没有阳光照射时,又可以起到减弱向外辐射热的作用。在飞船内表面,都涂上黑漆,由于黑色物体吸热和放热的本领都大,这样,卫星向阳面的内侧,因温度较高,容易放热;同时,卫星背阳面的内侧,因温度较低,容易吸热,整个舱内的温度就会比较均衡了。

夏天穿黑袍子的贝都因人

在炎热的夏天,应该穿白色的衣服还是应该穿黑色的衣服?似乎人人都知道当然应该穿白色的衣服。可是生活在沙漠中的贝都因人,却世世代代都穿黑色的袍子度过夏天。贝都因人这件反常的事情,引起了科学工作者的兴趣。他们在阳光下进行测试,黑色袍子表面温度(47℃)比白色袍子表面温度(41℃)要高,同时黑色的东西更容易吸收阳光的辐射。

他们又测了地面附近空气的温度,那里是38℃,这个温度比袍子里空气的温度要低一些。这就是说,无论是黑袍子还是白袍子,里面的空气温度比地面附近空气的温度都高。这样就会发生对流现象,袍子里的热空气上升,周围的空气来补充,袍子里面形成由下而上的气流。

贝都因人穿的袍子非常肥大,不会妨碍气流流动。由于黑袍子里的空气和地面空气的温度差比白袍子里的大,对流也比白袍子里强一些。对流产生的气流把衣服表面传来的热量带起,并加速了汗水的蒸发。所以穿黑袍子的人比穿白袍子的人觉得更舒服一些,贝都因人也许早就知道这个道理。对流可以算是最古老的知识,但是使人感到意外的是,至今还没有人详细而定量地列出对流计算方程。科学界虽然涌现过无数聪明才智的人,但是谁也没有最后解决这个问题。对流在许多领域里的应用,还等待人们去发现。在地壳内部,对流使海底产生一系列的裂变;岩浆的对流驱使着大陆慢慢飘动;在太阳上对流引起光球层激烈的运动;在盐湖里,特殊的对流过程,使人利用盐湖收集太阳光,提供大量电能……“双鹰2号”的白衣黑裙1978年8月间,三位美国飞行家乘坐一只名叫“双鹰2号”的大型充氦气球,飘行万里,首次成功地横渡了大西洋。“双鹰2号”的制作者们精心地设计了它的套袋。他们把球体的上半部分涂成银白色,下半部分涂成黑色,远远望去,就像穿上了白衣黑裙。白天烈日当空,气球吸热后体积变大,就会上升。银白色的上衣将太阳的大部分热反射出去,可以防止气球升得过高而发生危险。到夜晚,气温降低,气球收缩,又有可能急剧下降,落到海里。但是,夜晚海水的温度比气温要高,所以黑色的裙子能够尽量地吸收海面辐射的热量,避免气球的温度下降太多。这身不被人注意的白衣黑裙,对于保证气球的正常飞行,起了重要作用。飞到太空去的宇宙飞船,更要考虑在飞行的时候,向阳那面的温度会高到100多摄氏度,背阴那面的温度却要低到零下200多摄氏度,高低相差300多摄氏度。有什么办法来调节这悬殊的温差呢?你或者会说就像“双鹰2号”气球那样,把飞船向阳的那一面涂成白色,背阴的那一面涂成黑色,行不行呢?不行。因为飞船和气球不一样,它的向阳面和背阴面要时常变换。而且如果没有可吸的热,黑色将会起着很快向外散热的作用呢!

飞船飞行器

科学家们为飞船设计了合适的衣服:在飞船壳体外表面,整个都涂上一层蓝色或银白色的涂料。阳光在它上面的时候,可以防止温度剧烈升高;它背向太阳的时候,白色又可以起到减少向外散热的保护作用。在飞船壳体的内表面,都涂上了一层黑漆,就像一层黑色的衣服里子。由于它吸热和散热的本领都比较大,可以使壳体内部温度高的那一面的热量大量释放出来,同时使温度低的那一面大量把热吸收进去。这能使舱内的温度保持均衡。

黑色和白色,深色和浅色,不仅把我们的生活点缀得绚丽多彩,而且在很多地方默默地帮助我们工作。

黑色吸收热量多的奥秘

表面一黑一白,大小相同的两块金属都加热到500℃,哪个辐射的能量多?是黑色的。设想你有一个密封的盒子加热到500℃,盒内一半衬有表面是黑色的金属,一半衬有表面是白色的金属,两者不接触,它们只有通过辐射交换热量。一部分热量由黑金属块辐射到白金属块,一部分由后者辐射到前者。这两部分必定相等,否则散发热量多的一边将很快变得比另一边冷。能量自动地由低温处流向高温处是不可能的。表面是黑色的一侧,能把所有的辐射到它上面的热量都吸收,若物体温度保持恒定,它将辐射出同样多的热量——物体表面吸收的热量与其放出的相同。

我们知道一个好的吸收器必定是一个很好的辐射器,一个好的反射体却是一个很糟的辐射体。在白色表面上,对于辐射到其上的热量大部分将被反射,而只吸收一小部分。因此它辐射的热量也少。黑白表面之间的能量流是相等的,因为白色表面辐射较少是由它反射较多热量来补偿的。由此我们得出在500℃时,黑色金属比白色金属辐射的热量多。这便是为什么好的散热器表面总要涂成黑色的缘故。

散热器

另外,如果白色表面被破坏了,它的反射能力就会减弱。相应就会吸收更多的辐射。如果我们将白色表面破坏得使它的反射能力和黑色表面一样,这样它对热辐射的吸收应该同黑色表面一样。它就和黑色表面起一样的作用,这就意味着它应和黑色表面有一样辐射能量。我们是怎样改变白色表面的呢?我们在白色表面上刻下许多划痕,当划痕很深时,它们就像小空腔一样起到能隔住进入其中的辐射作用。大部分进入空腔的辐射是不能被反射出来的,它们最终被吸收了,空腔起了辐射陷阱的作用。事实上,无论空腔是由金、银、铜、铁,还是碳制成的,它们的效果都如同黑色的空腔。

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