啊?棉被保冷?

图文: | 2016-07-01

导语: 棉被会把冰块“闷”融化吗? 制作冰淇淋最快的方法是什么?世界海拔最高的铁路青藏铁路为什么不怕冻土路基融化呢?本期《微专栏》,咱们聊聊与保温、制冷相关的有趣话题。

棉被裹冰块,黄磊做对了吗?

9月6的《极限挑战》节目中,有一项运送冰块的任务,明星黄磊为了避免冰块在途中融化,从棉袄上撕下一大块放进了装冰块的包里。这让站在旁边的罗志祥无法淡定了,“不会更快融化吗”,他忍不住问。

然后,童年时家里没有冰箱的黄渤和王迅,和罗志祥“分享”了自己在棉被里存放冰淇淋的经验,并试图从科学的角度让罗志祥明白棉被不会把冰块“闷”融化。然而罗志祥却更加迷惑……其实,节目里黄渤和王迅已经解释得很好了,只是不够详细。这里,小编就来完成他们没有完成的任务——向“罗志祥们”解释明白。

首先,我们要清楚,物体温度的变化源于物体之间的热传递。根据热力学第二定律,热量会自发地从高温物体传向低温物体,直到二者温度相等。其次,棉被、羽绒服和暖壶之类的保暖品,它们本身不发热,能保暖是因为它们能减少内部物体与外界的热传递,使内部物体自身的温度不会很快改变。也就是说,如果是热水等高温物品,放入这些保暖品中,会长时间保持较高温度;如果是冰块、冰淇淋等低温物品,放入这些保暖品中,会比放在常温下融化得慢。用黄渤的话说就是既能保温又能保冷。

最后,热传递有三种方式——传导、对流和辐射。棉被、羽绒服和保温杯等通过导热性差的材料(如棉花、羽毛、玻璃)或真空来隔绝物体与外界空气,减少了二者之间的热传导和热对流,从而达到保温效果;暖壶则在此基础上,通过在内胆镀银,能够将容器内物体向外的热辐射反射回去,也可以防止外部的热辐射进入瓶内,减少热辐射形式的热传递。

暖瓶的保温原理

液氮、超导与玫瑰花

聊完保温,咱们再来聊聊制冷。保温的目的是维持物体原本的温度,制冷则更多的是要将物体的温度降低到环境温度以下并保持在规定低温状态,简单地说,就是要将物体冷却或冷冻。前者是要隔绝物体与外界的热传递,后者是利用物体之间的热传递,将被冷却物体的热量传递给制冷剂实现降温。制冷效果的一个关键在于制冷剂,常用的制冷剂有水、氨、氢气、氦气、氟利昂等。

液氮由于其易制备、无毒、化学性质不活泼、沸点低(-196)等特点,成为一种常用的深度制冷剂。液氮可以用来迅速冷冻食品和制作冰品,为高温超导体显示超导性提供所需的温度,冷冻生物组织、精子、胚胎等,以及冷冻保存植物种子、花粉、器官等。

超导磁悬浮列车展项,位于中国科技馆四层挑战与未来A展厅。该展项正是使用液氮来使超导体保持低温从而处于超导态。

除了上面这些,我们还能用液氮做一些好玩的事。下面视频中的一位疯狂教授就利用液氮让玫瑰开花并制作了冰冻棉花糖等独特美食。

“冷却”青藏铁路

除了我们日常接触比较多的食品、运输、仓储等行业,保冷、制冷与冻土区的铁路工程也有密切关系。我们知道,建设铁路需要铺设铁轨,铁轨的稳定性对铁路运营安全至关重要。在多年冻土区,冻土对温度变化敏感。在寒冷的冬季,冻土冻结,体积会发生膨胀,其上铺设的路基和铁轨会被“冻胀”的冻土顶得凸起;在炎热的夏季,冻土部分融化,体积缩小,路基和铁轨随之下沉。冻土的冻胀和融化下沉反复交替出现,就会影响路基稳定性,导致铁轨出现波浪状得高低起伏,对铁路安全造成威胁。

青藏铁路是世界上海拔最高、穿越多年冻土地段最长(约550千米)的铁路,为了解决高原冻土问题,采取了多种创新性的技术措施对冻土路基进行主动冷却。这些措施包括铺设片石层通风路基和U形块碎石路基、修建碎石(片石)护坡或护道、设置热棒以及保温材料等。


青藏铁路沙盘,位于中国科技馆三层科技与生活D展厅。在沙盘上,能看到部分铁轨两侧竖立着高高的细棒,代表的就是实际中冻土区的热棒。

乘客在乘坐青藏铁路时,可能会看到路基两旁插有一排排直径约15厘米、高约2米的细棒,这就是给路基制冷的热棒。它是一种高效导热装置,具有独特的单项传热性能:热量只能从地面下端向上端传输,反向不传热,像是一种不需动力的天然制冷机。

热棒是如何实现单向传热的呢?热棒的结构是一根密闭的钢管,里面装有液氨(沸点-33.4℃),露出地面的上部(放热段)装有散热片,下部(吸热段)直接埋入多年冻土中。在青藏铁路所处的多年冻土区,环境温度长时间低于热棒下部所在冻土层的温度,热棒下部的液氨吸收冻土的热量,汽化上升;到热棒上部,接触到较冷的管壁后放热,重新冷凝成液体,在重力作用下沿管壁流回热棒下部,然后吸热再蒸发。如此循环往复,就起到了对冻土的冷却作用。在夏季,热棒中的液氨全部变成气体,气体对流少,热量向下部传递很慢。故热棒具有单向传热的特点。

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