日常生活中,总是(shi)免不了烫伤。沸腾的水或滚(gun)烫的食用油不小心溅到手上,总是要伤(shang)心一阵子。
标准大(da)气压下,水的沸点是100摄氏度;食(shi)用油的沸点通常都在(zai)200摄氏度以上。炒菜(cai)时,一般将油温控制到五六成(cheng)左右就可以了。那(na)么同样温度(以100摄氏度为例(li))的水和菜油,不(bu)小心溅到手上,哪一个更烫一点?还(hai)是一样烫?
100用温度计测(ce)量,两者的温度肯(ken)定是一样的。不过,烫是人体对温度的主观感受,除(chu)了温度,还与其(qi)它因素有关。人体不是温度计,为了(le)避免烫伤,不可能亲自体验一番,就让(rang)我们利用科学知识来分析一下:哪个更(geng)烫手?
人体是如何(he)感知温度的?人体不是温度(du)计,并没有办法(fa)精确感知温度大小,但是(shi)却可以分辨出身体所接触物体的(de)温度的高低,还可以(yi)感知当前环境的温度以及身体所接触到(dao)的物体的温度是否(fou)令人舒适。
人是恒温动物,通(tong)常正常成年人躯体的平(ping)均温度都必须保持在37℃左右,高了低(di)了都不行。空气湿度适宜时,通常18~23℃的环境温度人体最舒适(shi)安逸。因此,在(zai)炎热的夏季,我们需要散(san)热;而在寒冷的冬(dong)季,我们需要保暖。当身体短时间接触到(dao)15~50摄氏(shi)度范围内的温度时,主观感受(shou)比较舒适安逸,高于或者低于该范围(wei)的物体温度一般都(dou)会使人感觉到难受。长时间接触高(gao)温物体就容易造成烫伤,烫(tang)伤部位的细胞及组(zu)织被高温损伤了。
洗澡时温水(shui)最适宜,温水的温度大(da)约在30~45摄氏度之间,不(bu)过环境温度也能够影响人体对水温(wen)的判断。可见,人体对温(wen)度的感受并不是很准,与温度计的(de)原理不一样。人体对温度(du)的感受,与接触物温度的高低(di)及接触时间的长短有关,本质上与温(wen)度感受器接收到的热量(liang)有关。
人(ren)之所以能感受到外界温(wen)度,是因为包裹着人(ren)体的皮肤上遍布着温度感受(shou)器。此外,人体(ti)粘膜及内脏也有温度感受(shou)功能,可以感知到我们体内的温度。比如,喝一口冰凉刺(ci)骨的水,吸一口寒冷的空气,身(shen)体内部就会感受到一(yi)丝凉意。当身体(ti)温度过低,会失去(qu)知觉;当身体接(jie)触或者感受到的温度过高,会产生严重(zhong)的刺痛感,直至因高温而受伤。
如上图所示,温度感受器位于人体皮(pi)肤表层之下。克(ke)劳斯小体负责感受冷,卢(lu)芬尼小体负责感受温。这两种感受(shou)器与遍布全身的(de)神经相连接,将温度信(xin)号转变为电信号并传输给中枢神经系(xi)统,人体就是这(zhe)样感知温度的。
比(bi)热容和热传递100摄氏度的水和100摄(she)氏度的食用油,我们无法用身(shen)体去感受它们的温度,但是我们却可(ke)以体验生活中不(bu)同物体带给我们的温度感受,从而说明(ming)问题的本质。
炎热的夏季(ji),公园里有一个木凳子和一个铁凳(deng)子,在太阳的暴晒下都很烫,当我们(men)一屁股坐下去就会发现铁凳子比木凳(deng)子更烫。虽然都在太阳的暴晒下接(jie)收到同样的热辐(fu)射,显然铁凳子的温度感觉(jue)更高一点。这是因为(wei)这两者材质不同,比热容不一样。
比热容(又(you)叫比热容量、比(bi)热),是指当没有相变(bian)和化学变化发生时,1千克均相物质(zhi)温度升高或者降低1摄(she)氏度所吸收或者释放的热量大小(xiao)。抛开质量不谈,即为(wei)热容量,是系统在某一过(guo)程中温度升高1摄氏度所(suo)吸收的热量。比热(re)容表示的是物体吸热或散(san)热的能力。一定量(liang)不同种类的物体,吸收(shou)相同的热量,比热(re)容越大,温度反而升得慢,即Q=cmΔT(其中,Q表示吸收或者放出(chu)的热量,c表示比热容,m表示(shi)质量,ΔT表示温度的变化)。
比热容是物质的一(yi)种属性,不随物体质量或(huo)形状的改变而变(bian)化。不过,同一种物质在(zai)不同物态下的比热容是不同的,比如冰(bing)、水、水蒸气,这三者的(de)比热容就是不同的。气体的比热容还需(xu)要考虑到热膨胀,因此有定压比热(re)容和定容比热容两(liang)种概念,此外还有饱(bao)和状态比热容。一般纯净(jing)物才定义比热容,混合物的比热(re)容由其组成成分及含(han)量来确定。水的比(bi)热容为4200 焦耳/(千克(ke)·摄氏度),它是常见的固态(tai)或液态物质中比热容最大的,所以水常(chang)被用来制作冷却剂。食用油种类较多,比热容一般为1800~2400 焦耳/(千克·摄氏度)。那(na)么对于一定量的水和油,由于比(bi)热容不同,吸收同样的热(re)量,水温升的比较慢,反之水温降(jiang)的也比较慢。沙子和水相比,沙子(zi)的比热容更低一点,就造成了下图(tu)中的现象。
上面,之所以木(mu)板凳没有铁板凳烫,就是因为(wei)在太阳均匀照射下,木板凳由(you)于比热容大,在同等时间下温度升高得(de)慢。
这里除了要考虑比热(re)容的问题,还需要考虑到(dao)热传递问题,板凳的热量传(chuan)递给屁股,我们才能感受到温度(du)。人体要想感知到外界(jie)的温度,必然存在一个热量传输的(de)过程。只要存在温度差,热量(liang)就会源源不断地(di)从高温物体转移到低温物(wu)体,热传递就是热量转移(yi)的过程。热传递分别以热辐射(she)、热对流、热传导三(san)种方式进行不同。
水(shui)和油与手接触时,会将热量传导给皮肤。不过不同物(wu)体的导热能力不同,即导热系数(导热率)不同。物质的导热率是其固有(you)的特性,与结构、成分、物态、温度(du)、密度、压力等有关系(xi),一般来说金属的导热能力最强。导(dao)热系数是指在稳定传热条件下,1米厚的材料,两侧表面的温差为1℃,在一定时间内,通过1平(ping)方米面积传递的热量。这意(yi)味着,木板凳和铁板凳对屁股传(chuan)输热量时,铁板凳传输的(de)要快一点。导热能力差的材料,常被用作隔热材料。一般,水和油相(xiang)比,水的导热能(neng)力更强些。热传导过(guo)程中遵守傅立叶定律。
总结起(qi)来,热传导的速率与温差大小(xiao)、接触面积大小和导热系数有关。温差越大,接触(chu)面积越大,导热系数越(yue)大,热传导的效率越高,热量传输的(de)越快,单位时间内(nei)传输的热量更多。
结论标准大气压下,100度的(de)水会沸腾,100度(du)的食用油不会沸腾。水沸腾会产生水(shui)蒸气,不过这里可以不用考虑水蒸(zheng)气。同等温度、同等质量的油和水,油(you)所包含的热量更(geng)低。它们从锅中溅起时,由于水比油的比热容(rong)高,同等条件下,油的温度下降得比水(shui)更低一点。此外,由于摩擦系数和(he)粘度不一样,当(dang)锅中溅起的水和油从手上分别(bie)流过时,水和油在皮肤上的流动(dong)性存在差异,由于是短时间接(jie)触,影响可以忽略(lue)。如果是长时间接触,就(jiu)需要考虑到水的蒸发,以及水和油的流(liu)动性差异com。它们与手接触时(shi),主要考虑热传导过程,水传(chuan)热给手的能力显(xian)然更强一些。
基于此,同样是100摄氏(shi)度,一定量的水(shui)和油分别与皮肤接触,如果接(jie)触时间是一样的(de),显然水感觉更烫手一些(xie),因为水在短时间内传递给人体(ti)的热量更多一些。凭(ping)经验就知道,虽然(ran)温度很高,但与皮肤接触时间短,并不会造成烫伤。不过,不建(jian)议去尝试。
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