水的熱導率與熱性能

簡要介紹水獨特的熱性能及其對熱流的阻力。

前言

水無疑是地球上最重要的物質之一。 沒有水,地球上的生命將不復存在,因為所有生物都需要水才能生存。 水的不可替代性很大程度上歸因於其獨特的分子結構,因為它可以在相對較窄的溫度範圍內以物質的所有三種狀態(固態、液態和氣態)存在。 由於水和蒸汽的高可用性和熱容量,水和蒸汽都是加熱和冷卻過程中常用的流體。

熱容量描述了將 1 克物質的溫度升高 1 攝氏度所需的熱量,或者更籠統地說,物質抵抗溫度變化的能力。 在溫度升高 1ºC 之前,一公斤水可以吸收 4.184 kJ(1 卡路里)能量,為了讓讀者們對此數據更有感,我們可比較若要將 1kg 銅升高 1ºC 需要多少熱量,答案是 0.385 kJ 的能量。 這種差異說明了為什麼科學界將水稱為“渴求熱量”。 水吸收熱量的天然能力使其成為出色的熱調節器,因為它可以輕鬆控制周圍環境的溫度。水的高熱容量也解釋了為什麼沿海地區的氣候往往比內陸地區更溫和。 與位於更遠內陸的低密度乾旱地區相比,具有沿海環境特徵的較大水體吸收和儲存了大量的熱量。 由於水的密度和熱容量更高,水的儲熱能力明顯優於空氣。 這兩種熱特性使水每單位質量儲存的能量比相同數量的空氣多。

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圖 1:加利福尼亞州的沿海社區—由於全年氣候溫和,這地區人口稠密

水的熱容量(Heat capacity)

水的高熱容量是其出色的吸熱和蓄熱能力的主要貢獻者; 但是,它也會對水有效傳遞熱量的能力產生負面影響。 就導熱性而言,水被歸類為不良熱導體,並通過阻止熱量流過而充當絕緣體。 由於水分子的“貪婪”,喜歡抓住它們吸收的熱量,因此它們極不願意與周圍環境中的其他分子和物質交換這種熱能。

良好的熱導體材料通常是那些擁有大量自由電子的材料。 電子使材料能夠有效地導電,並且元素具有的自由電子數量越多,由於其導熱性,它在促進熱傳遞方面就越好。 例如,金屬通常是出色的熱導體,因為它們具有大量可用的自由電子和獨特的分子晶格結構。

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圖 2:描繪分子的一般原子結構的圖表 – 電子圍繞原子核運行

水的導熱性應用(Heat Conductivity)

可以進行一個簡單的實驗室實驗,該實驗很好地表明了水的低導熱性。 在這個實驗中,一個冰塊被放置在一個狹窄的玻璃試管的底部,並用一塊紗布固定在那裡。 一旦冰塊被紗布固定,試管的剩餘部分就會充滿水。 當試管被加熱時,位於試管頂部的水開始沸騰,溫度接近 100ºC。 即使水在頂部附近開始沸騰,冰塊在管底部仍保持相對穩定,但為什麼呢? 與大多數其他液體和氣體一樣,水是不良的熱導體,因為水中發生的大部分熱傳遞是通過靠近試管頂部的對流發生的。 這些由於對流而移動和傳遞的熱元無法到達靠近冰塊的管道中較低的區域,導致該區域的溫度上升速度慢得多。

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圖 3:促進水中熱量傳輸的對流

純水 vs 離子水

在水的情況下,熱導率不僅僅是存在多少自由電子的因素。 由於液體的移動方式,液體通常是不良的熱導體。 正如上述實驗所證明的那樣,隨著水的升溫,它會形成使熱量四處移動的對流,但是,這些水流不會將熱量均勻地分佈到整個介質或環境中。導致水的熱導率高度可變的另一個因素是溶解的離子或分子的存在。 當這些溶解的物質與水中對流的不均勻熱運動結合時,它們的存在可以對水傳輸熱量和/或電力的能力有重大影響。 水被科學界稱為“萬能溶劑”,因為它是地球上唯一可以溶解最廣泛物質的物質之一。

去離子的超純水(去除了所有電子)將充當強絕緣體。 如果在這種“純淨水”中加入少量食鹽 (NaCl),水的熱導率和承載電流的能力將顯著增加。 純水也可以稱為蒸餾水,通常由冷凝蒸汽形成。 在我們的日常生活中,我們很少遇到純淨水,因為它經常會溶解周圍的物質。 水樣中存在的溶質和離子越多,電傳輸能力就越大,熱導率就越高。

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圖 4:水蒸餾的實驗展示

 

K值和水分子的運動

物理學家、化學家和許多其他科學家依靠水的熱特性作為一個普遍常數來計算其他材料相對於它們在與水分子相互作用時的行為方式的獨特特性。 通常將材料的熱導率簡化為其“k 值”,將水的熱導率稱為 Kw。 水在 20ºC 時的導熱係數約為 0.6 W/(mK),具體與水分子的動能有關。 通過分析分子間的速度和碰撞距離,可以直接觀察到動能在調節材料傳熱能力方面的突出作用。 一般來說,碰撞速度越高,k 值就越高。 如果有更大的碰撞距離,它將對試圖碰撞並導致較低 k 值的分子提出更大的挑戰。 對於不存在氫鍵的液體,隨著周圍環境溫度的升高,碰撞距離也會增加。 這是由於較低的基板密度導致較低的熱導率。 當溫度低於 130ºC 的水溫度升高時,由於氫鍵作用,水分子將以團簇形式存在。 碰撞速度將增加,而不是每個分子被推得更遠,從而導致更高的熱導率。 在 130ºC 以上的溫度下,大多數氫鍵被分解,水分子的行為開始發生變化。 如果溫度繼續升高超過 130 ºC,分子之間的碰撞距離也會增加,這將導致更高的熱導率。

結論

水分子熱特性的複雜性和可變性使這種物質成為我們星球上最獨特的物質之一。 它是為數不多的既可以充當熱絕緣體又可以充當電導體的已知分子之一。 水是許多大分子和化學物質的組成部分,它們幫助創造了我們今天所知的生命。 水的確切熱導率值明顯低於許多其他物質,這主要是由於水目前通過對流傳輸熱量。 然而,如果水缺乏輸送熱量的能力,它可以儲存和保持多餘的熱量而不將其釋放到環境中,從而彌補了它的不足。

作者: Kallista Wilson | Junior Technical Writer | Thermtest

參考資料

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