夏天,我们喜爱光著脚在家里铺設的瓷砖上行走,一阵阵凉意从脚底升起。冬天,我们愛钻進暖暖的被窝里,即使起來後,脚上也穿著厚厚的棉拖鞋。若保暖性能良好,家裡冬夏室溫差不大,但為何我們總感覺瓷砖更冷呢?
原來,類似水流和電流一樣,材料中也存在熱流,熱流會往「低处」流,即從温度高的地方流向温度低的地方。人体感知物体冷热时,是依赖与物体接触处人体皮肤的散热量来衡量的。所以冰块非常冻手,而热水很烫手。人体与物体接触时,热量是通过热传导的方式传递的,传递的热量取决于三个因素:人体与物体的温差、人体与物体的接触面积、物体的热导率。
热导率是指物体的导热能力,导热能力越强,热导率越大,反之越小。一般来说,金属材料的热导率最高,液体次之,气体最小。例如,当温度为20℃时,纯铜的热导率为398瓦/(米·开),水的热导率仅为0.599瓦/(米·开)。
当我们赤脚站在温度相同的瓷砖和棉被上时,温差和接触面积相同,而瓷砖的热导率约为棉被的22倍,因此站在瓷砖上脚上散失的热量约为站在棉被上的22倍。瓷砖散失皮肤热量的本领远大于棉被,所以站在瓷砖上感覺更冷。
进一步来说,金属材料中自由运动的电子数量众多,電导率较大時也具有较大的热导率,因為电子與金屬離子碰撞能迅速傳輸熱量。绝缘体自由电子数量很少,因此一般比较隔热。动物的毛皮和人类的衣服都是热的不良导体,保暖内衣还加了一层比较绝热的超薄热熔膜或其他特殊隔热材料。然而,自然界最硬的材料金刚石也是绝缘体,但热导率却很高。因為它内部碳原子排列非常紧密,因此碳原子热振動的傳播非常快。相比之下,其他绝缘体中原子热振動的傳播要慢得多,同时参与导热的电子数量又很少,因此热导率要小得多。
热导率受温度的影响很大。纯金属和大多数液体(水除外)的热导率随温度升高而降低;非金属和气体的热导率随温度升高而增加。因此,大多数隔热材料都是塑料、橡胶、玻璃和陶瓷等。屋顶上的石棉瓦就是用来隔绝阳光直射带来的热量,以避免室内过热。一些保温板和隔热膜还要考虑阻燃性,防止发生火灾。聚四氟乙烯材料具有绝缘性好、导热性差、耐高温和低温、耐腐蚀等优点,水立方的蓝色“泡泡”就是用它做成的。

