热传递的三种方式（新发现：热传递的第四种方式）

热传递的三种方式
物体在任何时候都有一定的温度，在自然状态下，温度高的物体总会把热量传递给温量低的物体，直到它们之间的温度相等为止.那么，热量是怎样传递的呢？一般来说，有传导、对流和辐射三种传热方式.
一、传导：
拿一根铁丝，把一端放在火上烧，另一端拿在手中，过一会儿你会觉得手拿的这一端也烫起手来；把一块烧热的砖放在地板上，过一会儿，你会发现地板也被烫热了．上面的例子告诉我们，物体的热量既可以在物体自身不同的部位间传递，也可以在不同的物体之间传递．这种热量自动地从温度高的物体(或部分)传到温度低的物体(或部分)的传递方式叫热传导．热传导在日常生活中用得很多：炒菜做饭的时候，火焰的热是通过热传导的方式传给铁锅，再通过铁锅传给饭或菜；用温度计测量温度时也是利用热传导，即温度计的玻璃泡的表面跟被测量的物体接触后，把待测物体的热传导到玻璃泡内部，使里面液体受热膨胀，这样液体的高度发生变化，显示温度量值．不同的物体传导热的本领是不同的．人们把善于传导热的物体叫做热的良导体，把不善于传导热的物体叫做热的不良导体．固体中的金属是热的良导体，其他的固体大都是不良导体，如石头、陶瓷、玻璃、木头、皮革、棉花等．我们用来烧饭、烧菜的锅都是用善于传热的金属制成的，目的就是能让热尽快地传给待加热的食物．冬季人们穿棉衣、毛衣或羽绒服，正是因为这类东西都是热的不良导体，可以保存身体散发出的热量，达到保暖的目的．二、对流：
热的另一种传导方式叫对流．取一个盛水的烧坏，里面放进几条小鱼．把烧杯倾斜放在架子上，杯口下面放一盏燃烧着的酒精灯．烧了一会，杯口的水开始沸腾，小鱼却仍然在里面悠然自得地游着．用手摸一摸烧杯的底部，原来杯子的底部还是凉的．这表明，水是热的不良导体．那么，为什么在水壶里的水，一会儿就被烧开了呢？原来，用水壶加热水的过程中，下部的水首先受热，体积膨胀变轻，向上浮起，而上部的水没有受热，比下部受热的水重，就向下沉．这样不断地上下交替运动，壶里的水就逐渐热起来，直到沸腾．这种传递热的方式叫做热对流，是热传递的又一种方式．除了水以外，空气也是热的不良导体，它也能通过对流来传递热量．如果你用手在炉的上方和炉门处试一试，就会感到，炉的上方有一股热气冒出来，而炉门处却有一股冷气吹入．这是因为炉膛内的空气受热膨胀上升，周围的冷空气就从炉门进入炉子来补充．冬季把炉子放在屋里，上升的热空气占据了上部空间，上部比较重的冷空气便下降，形成了冷热空气的不断对流，经过一段时间整个房子就变暖了．在日常生活中，利用气体对流的例子很多．例如，冬季用暖气片取暖，就是要用暖气片把空气加热，使空气对流，把热传遍室内．因此，暖气片一般要放在靠近窗户的地方，不能放在高处．三、热辐射:
热的另一种传递方式叫热辐射．站在火炉或火堆旁，身体向着火的一面会感到热，这种热是从哪里来？空气是热的不良导体，不善于传导热，所以这不是传导来的．是空气对流吗？也不是，因为人的感觉只是向着火的一面热，而不是全身都热．这种热由温度高的物体沿直线直接向四周投射的传递方式叫辐射．太阳就是通过辐射的方式将热量传给地球的．热辐射是一种很重要的传递热的方式．可以说正因为有了太阳的辐射(普照)，才有地球上的一切生命和人类活动．热辐射是以热源为中心向四周发出的；在跟热源距离相等的位置上，辐射的强度是相等的．但辐射的强度限离开热源的距离有关，距离越远，辐射越弱．另外，障碍物如木板，能挡住辐射热．辐射还跟物体的颜色有关，颜色越深，吸收或散发辐射热的能力就越强；颜色越浅，吸收或散发辐射热的能力就越弱．另外障碍物能挡住辐射热.
最后总结一下传导、对流和辐射三种方式的相同点和不同点.相同点都是热量从高温物体传递给低温物体；不同点是传导是沿着物体传递热量，对流发生在流体内部，辐射不需要物质直接接触。

新发现：热传递的第四种方式
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从中学的物理课堂上，我们了解到热量的传递途径可分为三种：热传导、热对流和热辐射。热传导指的是不同材料通过直接的接触而进行的热量传递；热对流则多指由气体或液体的运动引起的热量传递。这两种情况都不会在真空中发生。但辐射——通过电磁波传递热——则可以在真空中发生，就像太阳辐射出的能量能温暖地球一样。
然而，一项新的研究通过实验首次证明了一种能使热量穿过真空的全新机制。在12月12日的《自然》杂志上，完成了这一实验的物理学家发表论文称：声子可以穿过真空间隙，在量子涨落的影响下，让被真空隔开的物体之间产生热传递。尽管这种效应只在非常短的距离内表现明显，但却是对更早的相关理论预言的一次确凿验证。
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声子和光子分别是声波和电磁波的能量载体，通过这些能量载体，声波和电磁波就可以通过在物体之间传递热量。在室温或接近室温的状态下，被介质隔开的物体在声子作用下的传热会比在光子作用下要快得多；然而当物体被真空间隔隔开时，我们通常认为声子便无法再进行热量传递了。因为从本质上看，声子是原子晶格的振动，没有介质也就没有这种振动。
通常情况下，真空能阻隔多数类型的热量传递，但是量子力学却能让热量在量子涨落的作用下穿过真空。简单来说，量子涨落是一种即使在真空中也会发生的粒子和场的扰动，这种涨落是量子力学中海森堡不确定性原理的自然结果。根据不确定性原理，我们无法同时绝对精确地测量一对物理量（比如粒子的位置和速度）。
量子涨落的存在会对周围物质产生微妙的影响，从而导致一些能被观察到的效应——与新研究有关的卡西米尔效应就是其中之一：两个被真空间隙隔开的中性原子对彼此施加的力就是卡米西尔力，当量子涨落在这些原子中引起电荷密度波动时，卡西米尔力就产生了；接着，电荷密度会通过它们的电场产生相互作用。
○ 量子涨落能使热能在真空的情况下传播。在实验中，研究小组将两个相距几百纳米的镀金氮化硅薄膜置于真空室中。当他们加热其中一层膜时，另一层也会升温，尽管两层膜之间没有任何连接，且通过它们之间的光能可以忽略不计。| 图片来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY那么卡西米尔效应是如何让被真空隔开的物体产生声子传输的呢？我们可以设想这样一个场景，有一个与固定热源保持接触的物体，它的温度被恒定地维持在一个特定值上。这个物体的原子之间的热扰动会产生声子，这些声子的存在会使物体的表面产生时变的起伏。
这时，当我们将另一个温度更低的物体靠近原本的物体时，另一个物体就会受到第一个物体对它施加的卡西米尔力。因此，第二个物体的表面会受到拖曳，然后在它的内部也产生声子，这样一来，声子就从第一个物体传播到了第二个物体。
由于声子是载热体，因此当它们穿过真空空隙从一个物体传到另一个物体时，就会在卡西米尔效应的作用下引发热传递。过去已经有理论模型对这种由卡西米尔效应促成的热传递现象作出过预测，而新的研究则通过实验，直接对这种热传递模式进行了测量。
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在实验中，研究人员使用了两层由镀金的氮化硅制成的薄膜，其直径大约为300微米。研究人员将一层膜冷却，另一层膜加热，被加热的那层膜与一个维持恒定温度的热源相接触，两层膜之间的温差为25℃左右。他们利用一种名为光学干涉测量法的技术，来观测原子在膜的表面的热扰动（即布朗运动）。
○ 在实验中，两层膜（位于中间的铜板上）被置于一个真空室中，它们的温度和位置被精确控制。| 图片来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY他们先根据过去的热传递理论模型，估算出当真空间隔的大小不同时，两层膜之间传递的热量为多少。他们发现，测量的结果与理论预测精准相符。也就是说，这项实验为证明卡西米尔效应是可以引起热传递的提供了决定性证据。
然而，两个物体之间通过这种方法产生的热量传输是非常受限的，因为卡西米尔力的强度会随着物体之间的真空间隙的增大而迅速减弱。只有当两个物体之间的距离为纳米级时，它们之间的卡西米尔效应才强大到能产生与其他传热模式相比拟的热传递效果。
不过，研究人员找到了一种能放大卡西米尔传热模式的方法，他们对薄膜进行了精心设计，通过对它们的尺寸和温度进行控制，使它们能以最大可能的位移发生振动。如此一来，即使两层薄膜之间的真空间隔有数百个纳米大，也能显著地产生这种传热效应。
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新发现的这种传热模式对于提高纳米级器件的性能具有重大意义，例如在硬盘驱动器中，写头与存储盘之间的距离就只有几纳米。散热一直是纳米技术中的一个大问题，很多电子设备中的微型电路的性能，都受到设备散热速度的限制。如果这种传热模式可以在通过精心设计之后而被放大，那么将会给纳米技术带来一次不可估量的质的飞跃。然而在那一天到来之前，研究人员还将面临许多挑战。
封面图来源：XIANG ZHANG/UNIV. OF CALIFORNIA, BERKELEY参考来源：
https://doi.org/10.1038%2Fs41586-019-1800-4https://www.nature.com/articles/d41586-019-03729-4https://www.sciencenews.org/article/quantum-jitter-lets-heat-travel-across-vacuum