你有没有在阳光明媚的日子里去过海滩?阳光灿烂的日子里,海滩上总是刮着从海吹向陆地的风。为什么海滩上总是有风?为什么白天是海风(从海吹向陆地的风),晚上是陆风(从陆地吹向海洋的风)?为什么雨季时云雾会笼罩山坡?为什么风会让人感觉凉爽?这些问题的答案都与陆地和海洋的比热容、膨胀、密度以及对流传热(热传递)有关。通过深入理解这些知识,你就能回答以上问题以及你以后可能会提出的其他问题。
热传导通常发生在固体之间,或从固体到液体(液体到固体),或从固体到气体(气体到固体)。而热对流通常发生在液体(例如水)和气体(例如空气)之间。
对流换热是指伴随物质运动的热传递。为了更好地理解对流换热,我们可以考虑一个用火加热水的例子。当容器中的水被火加热时,热量通过传导和辐射从火源(高温)传递到容器(低温)。然后,热量再通过传导从容器(高温)传递到容器附近的水(低温)。额外的热量导致容器附近水的温度升高。温度升高导致水膨胀,体积增大。随着体积增大,水的密度减小。容器底部附近的水比其上方的水温度更高。换句话说,容器底部附近的水体积更大,密度更低;而其上方的水体积更小,密度更高。密度差异导致容器表面密度较大的水向下流动,而容器底部密度较小的水向上流动。这个过程会持续进行,直到容器内的所有水都达到相同的温度(如果气压为 1 个大气压,容器内的水就会蒸发,也就是在 100 摄氏度时沸腾)。
陆风和海风的形成也与热传导和热对流有关。陆地的比热容(固体的比热容)低于海水,因此陆地在阳光照射下升温更快,夜间降温也更快。陆地升温更快,进而加热其上方的空气(热量通过传导从陆地传递到空气)。接收额外热量的空气温度升高,空气膨胀,密度降低。相反,海水温度较低,因此海面上的空气也比陆地上的空气冷。海平面的空气更冷,密度更大。这种空气密度的差异导致海平面的空气向陆地移动,并将上方的空气向上推。由于地球引力减弱,距离地球表面越远,产生的空气就越少。由于空气量减少,气压也随之降低。陆地上方的热空气上升时会冷却,因为距离地表越远,气压越低。冷却后的空气再次下降,但这次不是向陆地表面,而是向温度较低的海洋表面。这个过程不断重复,形成从海洋到陆地的气流。简而言之,海面附近的空气向陆地移动,陆地附近的空气上升,而陆地上方的空气则向海洋移动。
为什么烟雾总是向上飘散?
烟雾上升是因为它的温度高于周围空气。由于烟雾温度较高,其体积增大,密度减小。烟雾密度降低导致其内部压力低于周围空气压力。周围空气将烟雾向上推。
为什么雨季云层会向下移动?雨季期间,云层中含有大量水蒸气,密度增大。含水量高、密度大的云层会向下移动,前往周围空气密度与云层密度相近的地方。