热量传递本质上只有两种方式:热传导和热辐射,因为这个案例里温差很小,暂时不考虑热辐射。而在热传导中,水的导热率是固定的(由介质决定),影响换热量的只有温度梯度。
脚不动的情况下,一个单位的热量,在水和皮肤最靠近的那一层分子之前发生碰撞,动能从水传到了皮肤。此时最表层的水温度降低,次表层的水和最表层的水分子发生碰撞,动能从次表层传导最表层,如此类推。热量通过分子自由碰撞的方式,从远处的水分子一步步传到脚,传递“速度”很慢。此时的感受基本上和用脚去触碰一个40摄氏度的水杯一样,“温温的,很舒服,甚至有点凉”。
经过长时间脚不动的情况,远处水的温度到脚的温度呈线性变化。此时最表层的低温水大约36.5摄氏度,和脚基本同温(假设0.5摄氏度温差)。如果此时脚在盆里搅动,最表层的低温水瞬间离开皮肤,远处的40度水分子立刻接触到脚面,脚与水温度梯度变大很多,换热量随之变大,假设大概是8倍,我们就会觉得好烫。
所以,本质上是因为脚动了以后把热传导时形成的温度边界层破坏了,从而温度梯度变大了,导致换热量大了。
■知乎ID:刘舆帅,机械工程在读博士
(来源:《科技生活》周刊)
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