水的导热与热性能

简要介绍水独特的热性能及其对热流的阻力。

前言

水无疑是地球上最重要的物质之一。没有水，地球上的生命将不复存在，因为所有生物都需要水才能生存。水的不可替代性很大程度上归因于其独特的分子结构，因为它可以在相对较窄的温度范围内以物质的所有三种状态（固态、液态和气态）存在。由于水和蒸汽的高可用性和热容量，水和蒸汽都是加热和冷却过程中常用的流体。

热容量描述了将 1 克物质的温度升高 1 摄氏度所需的热量，或者更笼统地说，物质抵抗温度变化的能力。在温度升高 1ºC 之前，一公斤水可以吸收 4.184 kJ（1 卡路里）能量，为了让读者们对此数据更有感，我们可比较若要将 1kg 铜升高 1ºC 需要多少热量，答案是 0.385 kJ 的能量。这种差异说明了为什么科学界将水称为“渴求热量”。水吸收热量的天然能力使其成为出色的热调节器，因为它可以轻松控制周围环境的温度。水的高热容量也解释了为什么沿海地区的气候往往比内陆地区更温和。与位于更远内陆的低密度干旱地区相比，具有沿海环境特征的较大水体吸收和储存了大量的热量。由于水的密度和热容量更高，水的储热能力明显优于空气。这两种热特性使水每单位质量储存的能量比相同数量的空气多。

图 1：加利福尼亚州的沿海社区—由于全年气候温和，这地区人口稠密

水的热容量(Heat capacity)

水的高热容量是其出色的吸热和蓄热能力的主要贡献者； 但是，它也会对水有效传递热量的能力产生负面影响。就导热性而言，水被归类为不良热导体，并通过阻止热量流过而充当绝缘体。由于水分子的“贪婪”，喜欢抓住它们吸收的热量，因此它们极不愿意与周围环境中的其他分子和物质交换这种热能。

良好的热导体材料通常是那些拥有大量自由电子的材料。电子使材料能够有效地导电，并且元素具有的自由电子数量越多，由于其导热性，它在促进热传递方面就越好。例如，金属通常是出色的热导体，因为它们具有大量可用的自由电子和独特的分子晶格结构。

图 2：描绘分子的一般原子结构的图表 – 电子围绕原子核运行

水的导热性应用(Heat Conductivity)

可以进行一个简单的实验室实验，该实验很好地表明了水的低导热性。在这个实验中，一个冰块被放置在一个狭窄的玻璃试管的底部，并用一块纱布固定在那里。一旦冰块被纱布固定，试管的剩余部分就会充满水。当试管被加热时，位于试管顶部的水开始沸腾，温度接近 100ºC。即使水在顶部附近开始沸腾，冰块在管底部仍保持相对稳定，但为什么呢？与大多数其他液体和气体一样，水是不良的热导体，因为水中发生的大部分热传递是通过靠近试管顶部的对流发生的。这些由于对流而移动和传递的热元无法到达靠近冰块的管道中较低的区域，导致该区域的温度上升速度慢得多。

图 3：促进水中热量传输的对流

纯水 vs 离子水

在水的情况下，热导率不仅仅是存在多少自由电子的因素。由于液体的移动方式，液体通常是不良的热导体。正如上述实验所证明的那样，随着水的升温，它会形成使热量四处移动的对流，但是，这些水流不会将热量均匀地分布到整个介质或环境中。导致水的热导率高度可变的另一个因素是溶解的离子或分子的存在。当这些溶解的物质与水中对流的不均匀热运动结合时，它们的存在可以对水传输热量和/或电力的能力有重大影响。水被科学界称为“万能溶剂”，因为它是地球上唯一可以溶解最广泛物质的物质之一。

去离子的超纯水（去除了所有电子）将充当强绝缘体。如果在这种“纯净水”中加入少量食盐 (NaCl)，水的热导率和承载电流的能力将显著增加。纯水也可以称为蒸馏水，通常由冷凝蒸汽形成。在我们的日常生活中，我们很少遇到纯净水，因为它经常会溶解周围的物质。水样中存在的溶质和离子越多，电传输能力就越大，热导率就越高。

图 4：水蒸馏的实验展示

K值和水分子的运动

物理学家、化学家和许多其他科学家依靠水的热特性作为一个普遍常数来计算其他材料相对于它们在与水分子相互作用时的行为方式的独特特性。通常将材料的热导率简化为其“k 值”，将水的热导率称为 Kw。水在 20ºC 时的导热系数约为 0.6 W/(mK)，具体与水分子的动能有关。通过分析分子间的速度和碰撞距离，可以直接观察到动能在调节材料传热能力方面的突出作用。一般来说，碰撞速度越高，k 值就越高。如果有更大的碰撞距离，它将对试图碰撞并导致较低 k 值的分子提出更大的挑战。对于不存在氢键的液体，随着周围环境温度的升高，碰撞距离也会增加。这是由于较低的基板密度导致较低的热导率。当温度低于 130ºC 的水温度升高时，由于氢键作用，水分子将以团簇形式存在。碰撞速度将增加，而不是每个分子被推得更远，从而导致更高的热导率。在 130ºC 以上的温度下，大多数氢键被分解，水分子的行为开始发生变化。如果温度继续升高超过 130 ºC，分子之间的碰撞距离也会增加，这将导致更高的热导率。

结论

水分子热特性的复杂性和可变性使这种物质成为我们星球上最独特的物质之一。它是为数不多的既可以充当热绝缘体又可以充当电导体的已知分子之一。水是许多大分子和化学物质的组成部分，它们帮助创造了我们今天所知的生命。水的确切热导率值明显低于许多其他物质，这主要是由于水目前通过对流传输热量。然而，如果水缺乏输送热量的能力，它可以储存和保持多余的热量而不将其释放到环境中，从而弥补了它的不足。

作者: Kallista Wilson | Junior Technical Writer | Thermtest

参考资料

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