100℃的水和100℃的油,到底谁更烫?

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100℃的水和100℃的油,到底谁更烫?

1月前 · 大众科普

温度其实是力学中的一个载荷,我们叫它温度载荷,主要是热胀冷缩引起结构内部应力的变化。我也曾写过多篇关于热应力的文章,有兴趣的可以检索一下。所以,我对这个问题也有自己的答案。这个问题中,水和油虽然都是100摄氏度,但是由于对流换热系数的不同,单位时间内传递的热量有差异。单位时间内,传递热量多的,人体会更快的感觉到烫。那么,到底是水还是油呢?

1、温度是什么?

发现一个奇怪的问题,尽管回答的人较多,但是都没有明确给出温度到底是什么,可能是觉得温度太基础了。但是,如果不知道温度是什么,那么可能无法继续下面的热量传递。

要知道,温度其实是我们人为定义出来的。早期的时候,人们觉得温度高的烫人,温度低的冻人。科学家为了衡量,就定义了一个温度标准。沸水对应的温度是100℃,冰水混合物对应的温度是0℃,这是摄氏温标的定义。一年四季的温度变化,是我们最直观的感受,如下图。

上图中,出现了另一个温标,华氏温标℉,这也是一个较为常见的温标,主要是美国人在用。此外,在学术上,著名的温标是开尔文温标,也叫热力学温标K。除了这些温标外,还有其他很多的温标,如下图,它们之间都有转换关系。

说到开尔文温标,这里不得不要提一下,绝对零度就是K=0对应的温度。实际上,这个绝对零度一直是神一般的存在,只可仰望,无法企及。我曾经在某大佬关于绝对温度的问答跟了一贴,说的是“如何测量绝对温度?”结果引来一堆人攻击。事实是,既然无法实现,当然也就无从测量了。

回到正题,绝对零度其实是物体内部粒子静止时候表现出来的温度。宏观上,物体可以静止、可以运动。在微观上,组成物体的粒子始终处于运动的状态(上图),有运动就有能量。宏观角度来说,粒子运动表现出来的能量,就是物体的内能。内能的一个衡量,就是温度。所以,温度宏观上表示物体的冷热程度,微观上表示物体内部分子热运动的剧烈程度。

2、传递热量的时间如何衡量?

既然温度是衡量物体内部分子热运动的,那么只要温度相同,不同物体内部的分子热运动应该都是接近的。我们如果用仪器来测量题主所说的100℃的水和油,得到的温度显然都是100℃。但是,如果你细心,且用的温度计是基于热传导原理,那么你应该会发现温度计升温的速度不一样。也就是说,不同的材料(液体),热量的传递是不一样的。

前几天,我刚计算过沸水煮密封玻璃瓶,里面用到了一个物理参数,沸水的对流换热系数是2500w/m2k,这个数据表示单位面积内,温度变化1K所传递的热量。而空气的对流换热系数约8w/m2k,非常小的一个数据。这也就意味着,同样的100℃,水和空气中的物体,升温的快慢会有显著的差别。对流换热系数越高,代表着热量的传递速度越快。这个系数与温度和流速密切相关,也不是一个正比的关系,如下图。

100℃的时候,油还没有开始沸腾。通过查阅资料,油类的对流换热系数在50-1500之间,远低于水的对流换热系数。这也就意味着,同样的物体浸入100℃的水和油中,在水中的物体温度上升更快。

人体感觉到烫,就是由于热量传递到人体后,单位面积内的热量超过了人体承受的范围,人体局部温度过高。相同的情况下,在100℃的水中的人体,温度上升更快,热量传递更快,所以更早会感觉到疼痛,表现的结果就是,更疼。

3、总结

相同的条件下,水和油的对流换热系数级别不一样,水的对流换热系数要远大于油的对流换热系数。物体在水中热量的传递更快,温度也就升的更快。以人体来说,人体在水中会更快感觉到烫人,表现出来的结果就是100℃的水更“烫”。

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