核心概念
物理学
热传递
隔热
材料科学
引言
当冬天变得非常寒冷时，你会做什么？你可能会打开暖气，多穿一件衣服或依偎在温暖的毯子下。但是你有没有想过为什么夹克可以帮助你保持温暖？为什么我们的衣服是用织物而不是箔制成的？在这个活动中找到答案；你的结果甚至可以帮助你找到在寒冷中保持温暖的最佳方法！
背景
热是一种能量形式。你需要能量来加热东西：例如，一杯茶。为了泡茶，你可能会使用电力或燃气中的能量。然而，一旦你的茶热了，它就不会永远保持热度。只要把茶杯放在桌子上放一会儿，你就已经知道它会随着时间的推移而变冷。这是由于一种称为热传递的现象，它是以热的形式存在的能量流动。如果两个物体的温度不同，一旦它们接触，热量就会自动从一个物体流向另一个物体。热能从较热的物体传递到较冷的物体。就茶而言，液体的热量被传递到周围的空气中，而周围的空气通常比茶冷。一旦两个物体达到相同的温度，热传递就会停止。通过流体（液体或气体）的运动进行的热传递称为对流。
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另一种热传递方式是传导，在这种方式中，能量通过一种物质（通常是固体）从一个粒子移动到另一个粒子（这与对流不同，对流中移动的是受热的物质本身）。锅柄变热就是一个传导的例子。
热也可以通过辐射传递。你可能从坐在篝火旁体验过。虽然你没有接触到火，但即使外面很冷，你也能感觉到它在你的脸上辐射热量。如果你喜欢喝热茶，你可能会问如何减少热传递，以及如何防止茶冷却下来？答案是隔热。隔热意味着在热物体和冷物体之间建立一个屏障，通过反射热辐射或减少从一个物体到另一个物体的热传导和对流来减少热传递。根据屏障的材料，隔热效果会有所不同。导热性很差的屏障是良好的隔热体，而导热性很好的材料的绝缘能力很低。在这个活动中，你将借助一杯热水来测试哪些材料是好的或坏的隔热体。你认为哪种材料最有效？
材料
五个带盖子的玻璃罐
剪刀（和大人帮忙剪）
胶带
铝箔
气泡膜
羊毛围巾或其他羊毛衣物
纸
热自来水
温度计
冰箱
计时器
用于书写的纸
笔或铅笔
准备
剪下一块铝箔、气泡膜和纸（如有必要，请大人帮忙）。每块都应足够大，可以绕玻璃罐的侧面三圈。
取一片铝箔，将其包裹在其中一个罐子的侧面。你应该在玻璃罐周围有三层箔。用胶带将铝箔粘在罐子上。
接下来，用气泡膜包裹另一个罐子，使玻璃也覆盖三层。确保将气泡膜粘在罐子上。
使用裁剪好的纸，用三层纸包裹第三个罐子。再次将纸粘在玻璃罐上。
取另一个玻璃罐，将围巾或其他羊毛织物缠绕在罐子上。只包三层，并确保围巾牢固地粘在罐子上。
将最后一个罐子不加任何包裹。这将作为你的对照。
步骤
用相同量的来自水龙头的热水填充每个罐子。
使用温度计测量每个罐子中的温度。将你的手指伸入每个罐子的水中（如果你的自来水很热，请小心）——水温感觉如何？
写下每个罐子的温度并盖上盖子。所有温度都相同还是有差异？差异有多大？
打开冰箱，将所有五个罐子放入。确保它们仍然包裹牢固。感受一下冰箱的温度——它感觉温度如何？
将温度计放入冰箱。当你把温度计放入冰箱时，温度计读数是多少？
一旦所有罐子都放在冰箱里，关上冰箱门并将计时器设置为 10 分钟。你认为在那段时间里，罐子和热水会发生什么？
10 分钟后，打开冰箱，取出所有罐子。罐子的感觉不同吗？
一次打开一个罐子，用温度计测量水温。此外，用你的手指感受温度。温度是否发生变化？根据温度计，它是如何变化的？
重复测量每个罐子的温度，并写下每种包裹材料的温度。每个罐子中的温度变化方式是否相同？哪种包裹材料导致的温度变化最小，哪种导致的温度变化最大？
为了更好地比较，计算每个罐子在测试开始和结束时的温差（开始时的温度与在冰箱中放置 10 分钟后的温度）。从你的结果中，你能分辨出哪种材料是最好的或最弱的隔热体吗？
额外：对于每种材料，温度会继续以类似的方式变化吗？你可以再次盖上每个罐子，然后将它们放回冰箱 10 分钟。这次的结果是不同还是相同？
额外：在冰箱中，水温的变化与在冷冻室中或室温下相同吗？重复测试，但这次不是将玻璃罐放入冰箱，而是将它们放入冷冻室或保持在室温下。水温在 10 分钟内变化多少？不同的包装材料表现是否不同？
额外：尝试找到你认为好的或坏的隔热体的其他材料并进行测试。哪种材料效果最好？你能想到原因吗？
额外：如果你在 10 分钟后将罐子从冰箱中取出，你可能仍然会测量到罐内水的温度与冰箱内的温度之间存在差异。你可以将玻璃罐在冰箱中放置更长时间，并每隔 15 到 30 分钟测量一次温度。水温多长时间不再变化？玻璃内水的最终温度是多少？
额外：除了选择合适的绝缘材料外，还有哪些其他方法可以改善隔热效果？仅使用一种包裹材料重复此测试。这次改变你的绝缘层的厚度。你是否发现绝缘层厚度与冰箱中的温度变化之间存在关联？
观察和结果
你的热水在冰箱内 10 分钟内是否明显冷却？尽管冰箱温度很低，但你的热水温度很高。当热能从热物体流向冷物体时，一旦你将玻璃罐放入，热水的热能就会传递到冰箱内周围的冷空气中。这种情况下的主要热传递机制是对流，这意味着紧挨着热罐子的空气被热水加热。然后，暖空气被冷空气替换，冷空气也被加热。同时，冷空气使罐内的水冷却。热水的热量通过杯子周围冷空气的流动而被带走。如果将罐子在冰箱中放置足够长的时间，你可能会观察到温度变化，直到热水达到冰箱内的温度。如果水和冰箱之间没有温差，热传递就会停止。
水的热量也会通过传导损失：热量通过材料传递，这取决于材料本身的热导率。玻璃罐可以相对很好地传导热量。当你用热水触摸玻璃罐时，你会注意到玻璃也感觉很热。不同的包裹材料有什么效果？你应该注意到，使用包裹材料后，在冰箱中放置 10 分钟后，水的温度比未包裹的对照组要高。为什么？包裹玻璃罐减少了从热水到冰箱内冷空气的热传递。使用热导率非常低的包裹材料可以减少通过传导的热量损失。同时，绝缘体还可以扰乱或减少玻璃罐周围的冷空气流动，从而减少通过对流的热量损失。
减少对流的一种方法是在罐子周围形成气穴，例如，使用气泡膜、织物或羊毛等绝缘材料，它们有大量的气穴。一般来说，空气是良好的隔热体，但它可以通过对流传递热量。但是，如果绝缘材料内的气穴彼此分离，则热量不易从一个气穴流向另一个气穴。这就是为什么你应该测量到气泡膜包裹的罐子和织物包裹的罐子中温度最高的原因。这也解释了为什么我们的大部分衣服都是用织物制成的，以及为什么当你多穿一件夹克时会更暖和。纸和铝箔更容易让热量散失，因为它们没有很多气穴。
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