神奇的熱導率 冰涼瓷磚上與溫暖的棉被為什麼如此不同

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冬天，當我們躺在暖暖的被窩裡，會覺得不那麼冷了，而起床時，要穿上厚厚的棉拖，否則，冰涼的瓷磚，會傳來刺骨的冷。而炎熱的夏天裡，當我們赤腳走在瓷磚上，卻能感受到從腳底傳遍全身的涼意，分外涼爽。為什麼棉被和瓷磚會帶給我們如此不同的感受呢？

神奇的熱導率

原來，無論是棉被還是瓷磚，它們和水流、電流一樣，其中都存在熱流。我們知道，熱流傳導的方式，是溫度高的地方流向溫度低的地方。當我們感覺到冷熱時，說明，我們的皮膚接觸到了物體，並通過散熱的方式傳遞熱量。

那麼用什麼來衡量傳遞熱量的能力呢？答案就是熱導率。熱導率是指物體的導熱能力，導熱能力越強，熱導率就越大，反之就越小。一般來說，金屬材料的熱導率最高，液體次之，氣體最小。

舉一個很簡單的例子。我們取相同溫差、相同面積的瓷磚和棉被。當我們赤腳站在上面時，會覺得瓷磚更涼一些。原因就在於：雖然溫差和接觸面積相同，但瓷磚的熱導率約為棉被的22倍，所以，站在瓷磚上的時候，腳上散失的熱量就約為站在棉被上的22倍。瓷磚散失皮膚熱量的本領遠大於棉被，我們當然就會覺得站在瓷磚上感覺更冷一些。

熱導率受什麼因素影響較大呢？

通常來講，絕緣體自由電子數目很少，因此一般比較隔熱。而在金屬材料中，自由運動的電子數目眾多，在電導率較大的同時也具有較大的熱導率，因為電子與金屬離子碰撞，能迅速傳遞熱量。

溫度對熱導率的影響很大。動物的毛皮和人類的衣服都是熱的不良導體，保暖內衣還加了一層比較隔熱的超薄熱熔膜，或者其他特殊隔熱材料。但是，自然界最硬的材料金剛石也是絕緣體，但熱導率卻很高。

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這是因為，在金剛石的內部，碳原子排列非常緊密，因此碳原子熱振動的傳遞非常快。相比之下，其他絕緣體中原子熱振動的傳遞要慢得多，同時參與導熱的電子數目又很少，因此熱導率要小得多。

大部分隔熱材料都是塑料、橡膠、玻璃和陶瓷等。比如屋頂上選擇鋪石棉瓦來隔熱，就是用來隔絕陽光直射帶來的熱量，以避免屋內過熱；聚四氟乙烯材料具有絕緣好、導熱差、耐高溫和低溫、耐腐蝕等優勢，水立方上面的藍色「泡泡」就是用它做成的。因為，純金屬和大多數液體（水除外）的熱導率會隨著溫度的升高而降低；非金屬和氣體的熱導率隨溫度的升高而增大。

托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做「西伯克」），1770年生於塔林（當時隸屬於東普魯士，現為愛沙尼亞首都）。1820年初期，塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關係。1821年賽貝克發現，有些材料在沒有電壓的情況下，電子也能從熱端流向冷端，形成電流，這就是熱電效應，該效應可以用來發電。美國舊金山大學的一位科學家發現：鯊魚鼻子里的一種膠體，能把海水溫度的變化轉換成電信號。

科學家在英國《自然》雜誌上報告說，他從鯊魚鼻子的皮膚小孔里提取了一種與普通明膠相似的膠體，發現它對溫度非常敏感，細微溫度的變化都會使它產生明顯的電壓變化。

哺乳動物是靠細胞表面的離子通道感知溫度：外界溫度變化導致帶電的離子進出通道，產生電流，刺激神經，從而使動物感知冷暖。與哺乳動物的這種方式不同，鯊魚利用膠體，不需要離子通道也能感知溫度變化。

鯊魚鼻子的皮膚小孔布滿了對電流非常敏感的神經細胞，海水的溫度變化使膠體內產生電流，刺激神經，使鯊魚感知到溫度差異。科學家認為，藉助這種膠體，鯊魚能感知到0.001攝氏度的溫度變化，這有利於它們在海水中覓食。

科學家猜測，其他動物體內也可能存在類似的膠體，這種因溫差而產生電流的性質與半導體材料的熱電效應類似，人工合成這種膠體，有望在微電子工業領域獲得應用。