传热学是当代工程研究中一个重要的主题，人们生活中也会遇到许多传热的现象，但是你知不知道这些现象背后的原理呢？下面我们结合一些热点来讲述一下化工中的传热学。

第一个问题：杰克为何被冻死？

电影泰坦尼克号中，露丝和杰克演绎了世界上最伟大的爱情，在泰坦尼克号撞击冰山沉船后，杰克和露丝漂浮在冰海上，杰克把露丝推到漂浮的甲板上救了露丝的命，可杰克却最终冻死在了冰冷的海水里。都是0度的天寒地冻，为什么结局是一生一死呢？

第二个问题：夜王为什么烧不死？

热播美剧权力的游戏大结局中龙妈骑龙火喷大BOSS夜王，本以为胜利在望，夜王却安然无恙，能把砖石都融化的龙焰，为什么却伤不了夜王丝毫？

第三个问题：内衣外穿更保暖吗？

清华大学的网红化工毕博士在某节目中，曾表示通过自己用传热模型推导，可以得出秋衣穿在风衣外面更保暖的结论，震惊全场。虽然他说自己是在一本正经的胡说八道，但真相究竟如何呢？

 传热学理论

解释这些问题，我们就要求助于化工中的传热学。根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式，热传导、对流传热、辐射传热。热量由高温传向低温，实际传热中，这三种传热方式可以一种方式进行，也可以两种或三种方式同时进行。

热传导

首先我们先来介绍一下热传导。热量从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体。热传导在气、液、固三种介质状态中都能进行，在固体中传导效应最为显著。

描述热传导现象的物理定律为傅里叶定律，表示通过等温表面的导热速率与温度梯度及传热面积成正比。常用的数学模型主要有平壁热传导模型和圆筒壁热传导模型，根据传热层数量不同可以分为单层模型和多层模型。现在我们先只关注一个参数λ导热系数，导热系数λ与传热速率Q是正向关系，导热系数λ是导热介质的一种物理性质，其数值越大材料的导热能力就越大。一般来说，导热系数λ按照金属、非金属固体、液体、气体的顺序递减。金属的导热性最强，气体的导热性最弱。

热对流

接下来我们介绍一下对流传热。靠气体或液体的流动来传热的方式叫做对流传热。对流传热是因为流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，对流传热可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。

对流传热速率方程可以用牛顿冷却定律表示，也就是温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。其中α为对流传热系数，和导热系数λ一样对流传热系数α与传热速率Q也是正向关系，但对流传热系数α不是简单的流体物理性质，它受到诸多因素的影响，根据流动模型不同，α的经验表达式就有好多种。这里我们学习其中一个管内强制对流的迪特斯贝尔特关系式。我们重点关注对流传热系数α和流体流速u的关系，它们是正向关系，即流体的速度增大，对流传热系数α也会增大。

热辐射

最后我们简单了解一下辐射传热。因热的原因引起的电磁波在空间的传递称为辐射传热。热辐射不同于热传导和热对流，他除了在气相中传递，也可以不需要介质在完全真空的地方传递，需要注意的是只有当物体间温度差巨大时，辐射传热才成为主要的传热方式。

答案一

现在回到开始的问题，杰克为什么被冻死而露丝可以存活，答案就是杰克浸没在水中，而露丝暴露在空气里，如果用热传导模型分析此时两人的热损失情况，零摄氏度下水的导热系数是空气的23倍，所以水中杰克的热消耗几乎是露丝的23倍，不考虑其他因素的情况下杰克的生存指数只有露丝的1/23,也难怪会挂了，不得不钦佩杰克为爱献身的精神。

不过相比其他落水后胡乱挣扎的来说人杰克还算聪明的，杰克几乎趴在露丝的浮木边没怎么动，因为如果根据对流传热模型计算，热损失量正比于对流传热系数α，又正比于流体的运动速度u，流体速度增加，热损耗将会增大。所以那些在冰海中乱扑腾的人会让周围的海水流动更剧烈，热损耗更严重，冻死的更快。明白了这些，你就应该清楚为什么在热水盆里泡脚，越动越烫的原因了吧。

答案二

第二个问题，夜王为什么烧不死？很多朋友可能会觉得这个问题很扯，编剧让他烧不死呀？咱们别什么都怨编剧，权游大结局改变烂尾是他们的责任，但夜王烧不死还是有理可循的，下面从传热科学的角度分析一下夜王烧不死的原因。说到这我们需要介绍一个传热学中的莱顿弗罗斯特效应。

莱顿弗罗斯特效应是指液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其表面上形成一个蒸汽层的现象。烧的通红的铁勺上滴上一滴水珠，水珠竟然悬浮起来并持续30秒，水滴能够悬浮起来的原因在于接触炙热的铁勺后，水滴底部立即形成一层水蒸汽，把水珠与铁勺隔开，就使得水滴悬浮起来，由于水蒸气的传热系数比液体水小得多，蒸气层阻隔液态水直接接触滚烫铁板，并大大降低水滴沸腾的速度。悬浮起来的水滴暂时不能吸收更多的热量，减慢了汽化速度，因此悬浮可以持续30秒。

所以来自极寒之地的夜王大概也是因为类似的原因吧，因为本身就是冰系生物，被高温龙火喷吐时，皮肤表面的冰汽化成水蒸汽膜，包裹在身体周围，从而保护自己不被烧伤。

这并不是异想天开，万人瞩目的冰桶挑战赛，参赛者就是利用瞬间冰块气化的水汽保护自己的身体，更有甚者俄罗斯34岁科学家安东·科诺瓦洛夫完成了升级版的零下195℃液氮冰桶挑战赛，触目惊心的炭火狂奔秀，表演者一般也是以湿脚或汗脚的状态飞速完成挑战的。《流言终结者》（MythBusters）挑战者亦曾在节目中利用莱顿弗罗斯特现象，尝试把手沾湿后放进烧熔的铅里。

答案三

回到最后一个问题，内衣外穿更保暖吗？这个问题比较复杂，首先我们回顾一下毕博士推出此结论的过程，他把人体等效为一个高1.75m，半径为0.2m的恒温37℃圆筒，置于0℃的环境中。秋衣和风衣分别是套在这个圆筒外的两层保温桶，等效为两个传热层。利用游标卡尺测量出的秋衣厚度3.42mm，风衣厚度5.33mm，秋衣布料的导热系数0.05，风衣的导热系数0.029。

最后利用多层圆筒壁热传导模型分别推算出秋衣内穿时人体散热功率是330.5W,秋衣外穿时人体散热功率是328.8w，秋衣内穿要比秋衣外穿多损失近2W的能量，2W是什么概念？两种穿法同样站在冰天雪地中，秋衣外穿站到2天可以省出一个鸡蛋的热量，站到20天可以省出一度电的热量，所以毕博士得出内衣外穿更科学更保暖的结论。

不得不说毕博士是个人才，不过他的推理虽然看似很科学，结论却很荒诞，首先针对双层圆筒壁传热模型，传热层厚度和材料导热系数是最关键的实验数据，直接影响对比实验的判定结果。而毕博士实验中衣物布料的导热系数数据来源没有依据，另外单次试验人工测量衣服布料厚度的主观误差也会非常明显，所以这样的实验结论实在难以推广和适用，如果大家都按照毕博士的实验方法做一遍大有可能得到千差万别的实验结果。

回到这个问题，抛开具体数字，我们从理论上来分析一下不同隔热层的包裹顺序对传热是否有影响。先看平壁热传导模型，以双层模型为例，我们发现每种材料的导热系数λ和传热层厚b是一一对应的关系，调整两个传热层的顺序并不会影响分母的计算结果，因此在平壁热传导模型中不同保温材料的包裹顺序不会影响传热速率的大小。所以冬天铺床时，你不用再纠结先铺床单还是先垫毛毯，哪个感觉舒服上面就铺哪个，至少保暖效果是一样的。

再看圆筒壁传热模型，因为两种隔热层包裹的先后的顺序，会影响r1、r2、r3的大小，当且仅当LN（r2/r1）和LN（r3/r2）的数值相同时，我们才能得出两种包裹方法传热量相同的结论，否则分母的计算结果不具有普遍单调性，每个个例的计算结果也不能推演出普遍规律。

不过可以肯定的是，现实中如果内衣外穿，譬如说像棉袄这样的很厚的保暖外衣穿在里面，外面再套个秋衣，先不说穿不穿的上和出不出了门的问题，棉衣一定会受到内衣的挤压而产生形变，棉衣中空气的减少会提高棉衣的导热系数λ，从而大大降低棉衣的保暖性。因此毕博士的传热模型忽略了太多的重要因素，其推论结果有很多的主观性和娱乐性。退一万步讲，即使毕博士的结论是正确的，估计也不会有人这么穿的，因为在美的面前，一切都是无力的，损失一个鸡蛋的能量，又算得了什么？

工程中的传热学

传热学在工程领域中还有很多实际应用，高温设备管道的保暖，低温设备管道的保冷，换热器的计算都离不开传热学知识，所以如果你将来想当一名相关领域工程师，传热学知识可是一定要掌握好的。

不管怎样希望以后在你看电影或刷热剧时，偶尔能尝试用传热学的知识分析一下相关剧情，很多问题也许就迎刃而解了。

来源于原创 陈睿谦 谦言睿语 2019-07-06