物理能量转换世界 扑朔迷离的热动力学pdf

物理能量转换世界 扑朔迷离的热动力学 内容简介

《物理能量转换世界：扑朔迷离的热动力学》从热能现象、热能原理、热能的特点及应用、生活中的热能奇观等方面八手，以图文结台的表述方式，将青少年带入一个妙趣横生的热能空间。

物理能量转换世界 扑朔迷离的热动力学 目录

生活现象中的热学原理

水杯里的热为什么会跑掉

冰棍冒气

牯手的铁块

飞机的烟迹

开水不响，响水不开

开水不一定是熟水

膨胀的金属环

暖气片安在什么地方最暖

棉袄能给你热量吗

热气球运动

“热得快”的奥秘

温度计里的奥秘

“温暖”的冰屋

热学揭秘

热学

温度与温标

温度的测量

热能

热胀冷缩——热平衡的表现

热传递三方式

蒸发和沸腾

能量守恒和转化定律的发现

热力学第二、第三定律

宇宙热寂说与“黑洞理论”的探讨

热学简史

热本性说

近代热学

中国古代热学发展史

蒸汽机的革命

热与能转化的机器——内燃机

传导理论的建立

分子的热运动

混合量热问题

潜热的发现

热与环境

可怕的温室效应

酷暑寒冬的厄尔尼诺

冷热交替的拉尼娜

城市里的热岛效应

热的应用

地热能

太阳能

海洋温差能

人造太阳

太阳能热水器

液晶态与等离子体

超导的发现和应用

节流制冷

物理能量转换世界 扑朔迷离的热动力学 精彩文摘

高空大气环流，直接影响着生活在陆地上的人们，他们时而感觉到狂风扑面，时而又是在无风和微风的天气中度过。

尽管有时候风的作用在减少，但气流还是在不停地循环流动，这里的助推剂是：热量。一般来说：凡是太阳光照射的地方，温度就会慢慢地上升。气流在上升的温度中被烘烤加热后，形成垂直的流动。热空气密度小，轻，它会往上升；冷空气密度大，重，它往下降，填补热空气上升留下的空缺，形成气流的循环运动，这就是热力环流。

热力环流不同于水平流动的风，它是空气上下垂直的对流运动，冷与热激发出气流缓慢的运动，它跟风不一样，风能够改造局地环境的气候，而热力环流是气流运动的原始动力。

换句话说凡是高低错落的或者是冷热分布不均的地方就存在着热力环流。城市里参差不齐的楼群、房屋、道路，都为热力环流创造了良好的形成条件，白天屋顶受热最强，热空气从屋顶上升，与屋顶同一高度上比较凉的空气就会流向屋顶，这样屋顶上空就形成了一个小规模的冷热空气的循环；街道两边背阴面与向阳面也一样产生这样的热力环流，向阳的一面暖空气上升，背阴面冷空气下沉，它们之间通过穿行的风来贯通热力循环。

城市聚热能力，来自于建设城市的钢筋水泥、土木砖瓦以及纵横交织的道路网，它们取代了原本能降低城市温度的树木和草地，这些密集的建造物，让城市接受更多太阳的热量，同时这些吸热面又散发和反射出巨大的辐射热能，城市的气温，在太阳能和各种辐射热能的烘烤下越来越高。据气象专家长期的观测：柏油路面能够吸收80％以上的热量，尤其是中午，马路表面的温度比百叶箱气温高出17．4℃。

城市的现代生活制造出巨大热量，工业生产的昼夜运转，家庭炉灶的明火烹饪，这些固定的热源每天排放的废气热量就占了全天热能的66．6％，柏油马路上的滚滚车轮，这些移动热源每天也释放着33．1％的热量，稠密人口释放出的生物热量占l％左右，种种热源像火炉一样直接烘烤大气，与此同时空气中CO2对某些辐射波段有着强烈的吸收，也使得大气的温度上升很快。贴近地面的空气被加速烘热，整个城市宛如一个“热的岛屿”矗立在周围乡村较凉的“海洋”之上。

受热的空气膨胀起来，密度变小，轻盈得往上升，在城市上空形成了一个低压中心，同时产生了指向城市的气压梯度力，使得周围低层较冷的空气——乡村风，从四面八方，源源不断地涌向城市，填补进来的冷空气遇热又会上升，这样城市和周围乡村之间的冷热空气就流动起来，形成一个冷热交换的环流系统，这是气象学上的“中尺度”运动，专家叫它“热岛效应”或“城市热岛”。

气象专家们将多次观测到的城市热岛，绘成一幅城乡气温图，高峰值与乡村气温的悬差，就是城市热岛的强度。热岛强度是衡量乡村风涌人城市的指标，差值大涌入城市的乡村风就大，差值小吹进城市的乡村风就会很小。

“城市热岛”的变化还是有一定的规律。一天中变化最大的时候在夜间，到了白天和午后反而差异不明显。这是因为午后城市和乡村的气温差别不大；日落以后，空旷的乡村让大气散热很快，而城市里蓄积了白天大量热能的建筑物，散发出大量的辐射热，烘烤着大气，形成了夜间城市热岛，尤其在日落以后的3～5小时里表现得最强。

“城市热岛”的季节变化并没有一定的模式，对于我国来说，副热带和温带的气候条件，城市热岛表现为冬季和秋季最强，夏季和晚春最弱。

处在南副热带上的广州，春、夏风速大，热岛强度弱不说，甚至还会出现凉岛。北副热带上的上海，秋季云量最少，秋高气爽，风速也小，热岛效应表现强。冬季的北京，温带的气候条件本身就非常有利于城市热岛效应的发展，再加上人工取暖的增多，12月和1月的热岛效应表现特别明显。

城市热岛当然并非一无是处，在冬季对于居民生活的影响是非常有利的，具体表现在凝结露、霜的机会比郊区小，下雪天比郊区少。春秋季节热岛中心上升气温的大幅度衰减，有利于形成对流云和降雨，降低城市的高温。可是夏季，城市热岛这个低压中心，加强了高温酷热的程度，烦躁的热气塞进鼻腔、喉咙，使人们的呼吸变得不畅和困难，还会造成体质虚弱人群的休克甚至是死亡。如何降低酷暑季节城市的热岛强度是城市规划中的重要举措之一。

对于城市来说，高楼、房屋、道路这些不透水面积的不断扩大，不利于城市降温，只有科学地增加绿化带和水面，增加透水面积，才能实现城市的防暑降温。北京市对居住密集区域进行了局地改造，拆除一部分危旧房屋，规划建设出大面积的绿化带和水面，改善城市热岛的强度。新建的皇城根遗址公园坐落在紫禁城的东边，全长3.4千米，占地面积7．5万平方米，其中90％的土地被绿地覆盖，10个造型各异的喷泉点缀其间，整个公园如同一个巨大的氧吧，清洗着紫禁城周围的空气，有效地降低了天安门周边的温度，使这一带的居民和游客感受到这未有过的清爽和舒适。

为了增加城市的绿地面积，各行各业都展现出各自的绝招，有些环保意识前卫的企业，索性把绿地搬到自己的屋顶上，花园屋顶、森林屋顶层出不穷。这样既美化了城市，增加了绿地，又有利于城市的防暑降温。

一座城市是一个“活”的系统，“热岛”是其中不可或缺的一环，它与城市环境和城市未来的发展密切相关。科学地处理“热岛效应”将有利于生活在城市里的人们，处理不好既影响城市的生活质量，又不利于污染物的驱散。

北京气象局的研究人员，利用先进的气球探空技术和数值模拟分析，对北京市进行了城市尺度的探测，专家对2000年和2010年进行了量化分析：自1980年以来，经过20年的飞速发展，到了2000年，建筑物不断地升高，热岛面积明显扩大，驱散污染物需要36分钟；对2010年，依据北京市的总体规划，增加环城绿化带的建设，热岛面积缩小到接近于1980年的面积，而自身净化的能力也缩短在30分钟以内完成。

这样对2008年奥运会的北京，不管是生活在这里的人们，还是来这里参加世纪盛会的运动员和各国宾客，将会在这座美丽的古都尽情地渡过碧水、蓝天，清风扑面的日子。再也感受不到城市热岛带来的负面效果。

实际上城市热岛还遭遇一个夜间杀手——逆温层。它往往出现在日落之后，消失在日出之前那些大多数的无风日子里。这个无色透明的大气罩将污染物笼罩在城市的上空，久久不能散去，直接影响大气质量。热岛环流就像锅盖一样将城市罩住，使城市闷热难耐。

白天，城市的气温被太阳和热岛环流的“加热”升高，日落以后，城市失去了太阳烘烤，地表空气也会迅速地降下温度，那些白天蓄了热的“加热炉”们还继续散发着剩余的热量，这些余热以极其缓慢的速度加热着冷空气，通过分子之间的相互接触，一个一个地传送着热量，这种分子间加热的地表气温比起200-300米高的气温还是凉了很多，因此出现的上升气流不是释放热量，逐渐降温，而是逐渐地升温，于是形成了逆温层。逆温层如同一床巨大的被子悬浮在城市和郊区的上空，它抑制着空气的上下流动，也阻挡了乡村风的涌人。在这个穹顶形的温盖下面，那些本该被稀释的污染物越来越多地堆积在我们的周围。

在我国辽阔的版图上，身受“逆温层”之苦的城市不乏其例。甘肃省兰州市被群山环抱着，这里是一个几乎封闭的河谷盆地，东西狭长，南北较窄，黄河从中间穿过。受蒙古高压的控制，兰州市区风速小，天气稳定。特别是冬季，无风天出现的频率很高，降水量又少，干、热尤为突出，市区的热岛效应表现极强；厚厚的逆温层，如同锅盖一般，严严实实地罩在兰州城的上空，流通不起来的空气，没有能力稀释扩散被污染的大气。为此兰州市政府把“蓝天工程”放在城市规划建设的首位，加强城市绿化的建设，改变燃料构成和供热方式，用电、液化石油气、天然气等取代烟煤，大力开发利用以太阳能为主的新能源，减少不必要的人为污染。

针对兰州市常年刮东风的特点，有专家大胆提议：通过改变这里的地形，增加通风量。将东部峡口附近的山头削平，并填入沟内，这样不足l千米的东部峡口被拓宽为4千米左右的平坦地区，盛行的东风被引进了市区，大大地改善了市区的通风条件，降低了热岛效应，改善了逆温层的持续时间，减少了大气污染。

对于城市热岛，只有当乡村风大范围的风速达到3米／秒以上时，才能加速城乡的热力环流，减轻城市空气的混浊程度，给城市不断注入清新凉爽的清风。

要实现这个目标，大面积地设置绿地，不断地增加城市的透水面积，才能改善城市局部区域气候环境，减缓城市的“热岛效应”。