太阳中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

我们都知道太空中温度很低,根据测量宇宙微波背景辐射,我们可以得到宇宙的温度为2.725K,大约就是零下270.4摄氏度。但即使是如此,在太空工作的国际空间站,却并不会担心温度过低,反而要考虑` 1 m C ! I t F如何给空间站散热,这是为什么呢?

太阳中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

而且我们可能会想:太阳的F J !表面温度高达5500摄氏度,连地球都被晒热J G o A o 5了,那为什么日地之间还这么冷?要弄明白这个问题需要搞清楚以下概念。

首先我们要从温度的本质开始说起。

从宏观上来讲,我们对温度最直观的表达就是,表示物体的冷热程度,但从科学上来讲,冷和热都是相对的,存在一定的S } r F G ( t [ #主观性。所以我们要从微观上来讨论。

温度是由物体分子热运动而产生的,当分子热运动的程度越剧烈,物体的温度也6 y 9 u G d C %就越高。所以我们通常讲:温度是物体分子间平均动能的表现。

所以我们可以总结出/ z O E:温度是物质的,如果没有物质的存2 c & R S # ~在也就没有温度可言。

而太空是什么情况呢?通过简单的计算可以得到,宇宙的平均密度在0.9*10^-29g/cm。换算下来大概就W _ * U - 7 /是:一立方米的空间内只有一个原子。由此可见,太空是多么的空旷,而单个或多个粒子i . W ? Y ( (是不存在在温度的,所以太空的温度才会如此的低。

为什么太空的温度不是绝对零度?

宇宙微波背景辐射的温度来自于宇宙大爆炸,138亿年前,宇宙由一个温度极高的奇点大爆炸之后6 8 X,开始迅速膨胀,温度也随之降低,现在科学家所测得的2.7k的温度,正是宇宙大爆炸后产生的余温。

在绝对零度下,粒子的动能P 7 6 } x和势能( e Z | }都会降到了零,包括内能也为零,不与外界发生任何能量转化,包括连电子都停止了运动。学过物理的应该都知道,粒子在永不停歇的做无规则运动,这就说明了粒子永远不会停止运动,这就意味着绝对零度只是一个理想值,现实中是无法达到的。

所以太空的温度也不可能是绝对零度。但是仅比绝对零度高了2.7k,也足以说明太空中是非常寒冷的。

太阳中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

那么太阳的温度是从哪里来的?

太阳属于恒星,而恒星通常都占据所在恒星系的大部分质量,在太阳内部巨大的压力下,几乎所有的粒子的电子都会脱离原子核的束缚,成为一锅鱼龙混杂的粒子粥,我们把这种状态叫做等离子态。

有了高温高压的反应条件,再得益于量子隧穿效应的存在,氢原子核之间就会发生核聚变反应,生成氦原子核并放出巨大的能量。

这个原理和氢f 8 M K r E s | p弹爆炸是一x G /样的,但太阳却没有一下子全炸掉,是因为当核聚变变得越来越剧烈,自身巨大的引力不足以抵抗核聚变产生的对外膨胀的压力时,由于外部压力的不足,就会间接减缓核聚变的程度。

当核聚变减缓到一定程度的时候,在自身巨大引力的作用下- g A { i,又会增加太阳内部的温度和压力,如此1 3 1 h循环,太阳会达到一个平衡状态:体积既不膨胀也不收缩。

这才使得太阳能够S v l _ I H o不断的进行缓慢的核聚变。据估计,太阳可以持续进行这个过9 # I A I b w程长达100亿年,而现在已经过去了46亿年。

太阳的热量又是如何传到地球上的呢?

o t G = ; +于热量的传递一共有三种方式,分别是热传导、热对流、热辐射。

热传导

其本质是分子之间相互传递动能,是介质内无宏观运动的传热现象,可以在液态,固态,气态之间发生,不过严格的来说发生在固态中才是纯粹的热传导。

通俗来说,热传导就是不 ? D ~ 6 C 9 V d同材料通过直接的接触而进行的2 a P f + & F ^ $热量传递,即高温热源与低温热源直接接触传热。这种情况是最常见的,比如在锻a z } /造铁具的时候,烧红的铁块浸在水中降温,这种传热方式就是热传导。

而热传导在真V n = A d : t空中是不存~ p @ z P q T ;在的,因为真空没有介质。我们经常使用的保温杯就是利用了这一原理,把夹层抽成真空,从而阻止了热量的传5 ) ^ * ^ H r道,保证了水的热量不会过; ! & g % , ; (快流失。

热对流

是指两m [ $ (种存在温差的流体,由于流体的宏观运动从而引起各部分之间发生相对位移,冷热流体相互混合而引起的热量传递。

就算不解释,我们一听这个名称首先应该8 - Y b h ( S 3 e明白是发生在液体或者气体中的传热方式,简单一点的理解热对流就是通过介质的流动来传递热量的一种方式。

既然热对流也需要介质传播,那自然在真空中8 ( N ) / ! p k x也是不存在的。热对流和我们的生活也是息息相关的,比如我们在煮开水的时候,水开始冒泡,但是泡泡还没浮出水面就因为上层水冷,密度大,压强大而被重新压破,水气重新溶解到水中的时候,水就是在发生对流。

热辐射

虽然也是传递热量的一种 X r J N L ~方式,但它和热传导、对流不同。

热辐射是高温热源以辐射红外线等形2 ^ ] d + [ 7式向d | #低温热源传热,热辐射中两个热源不直接接触,是远距离传热的主要方式,而且这种热传递方式可以不需要介质,可以在真空中传播。

一般来说热辐射就是一种物体用电磁辐射的形式把热能y 7 H P向外} c i b L K散发的热传方式,温度越高,辐射就越强。热辐射是使地球变暖的方式,比如太阳的热量就是以热辐) t $ | R 9 m ? /射的形式,经n 0 j T s J } T C过太空再传给地球的,使地球变暖。

说到这里我们应该都明白的差不多了,正是因为太空是真空的,没有介质,所以9 N 2 _ 0 v I X太阳根本无法把空旷的太空晒热,而[ Q C & - O * v )地球上有足够多的粒子,太阳辐射遇到地球才会转化成粒子热运动的动能。这也正印证了之前所说的:温度是物质的。

而且如果我们真的拿一支温度计到太空测量,发@ 3 9 ; 1 S现根本不会出现示数。因为太空中没有物质,所以也就不会有温度。

回到题目中,为j N O U什么国t / * S际空间站会担心舱内过热,而增加散热呢?

了解了温度的本质7 R 2 c : A { W和热量传递的基本方式之后,这个问题也就可以迎刃z T M w而解了。

我们再来简单阐述一下,因为太空是真空的,没有热传递的介质,所以在太空中的空间站只能通过热辐射的方式来损失热量,而热辐射的过程十分缓慢,根本比不上空间站那么多设备工作时产生热量的速度快,时间一长,空间站上就会聚集大量的热量,导致人们无法承受,所( 1 F & 8 Y d J以要空间站需要增加散热。

最后我们来总结一下:

温度的本质是分子的热运动,没有/ Q S N =物质也就没有温度。

热量的传递有三种方式,其中热传导和热对流都需要介质,热辐射则不需要,但效U L Q B V q { 率也最低。

宇宙空间是十分空旷的,没有热传递和热对流的介质,热量只能通过缓慢的热辐射进行传递,所以空间站要增加散3 O ` r h K ^热,防g m ( . ~ T _ B #止设备工作所产生的热量大量聚集在空间站内。

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