科学解释:真空不传热,地球是怎么接收到太阳的热量的?

温度到底是什么?

其实要了解地球是如何接收太阳热量的问题,我们就得先来看看了解一下:温度到底是什么?

关于这个问题,物理学上有严格的定义,不过,这里我们仅仅需要从微观的视角来看,我们都知道物质都是由原子构成,原子其实并不是整齐地排列在一起。实际上,它们是非常凌乱地到处乱跑。

那这和温度有什么关系呢?

科学家发现,温度的本质上就是微观粒子热运动的剧烈程度。具体是什么意思呢?

同样是到处乱跑,分子也有运动很剧烈和不怎么剧烈的差别。当分子整体运动的特别剧烈时,温度就很高。当分子整体运动的并不是很剧烈时,温度就相对降低。我们用分子的平均动能来描述:

分子的平均动能越大,温度越高;

分子的平均动能越小,温度越低。

太空不是真空,也不是绝对零度

通过上文的讲述,我们了解了温度的本质。但这里要多补充一点,那就是温度要体现出来,需要足够多的分子数,这是建立在大规模统计之上的结果,而不是说几个分子就能够成立的。

平时,我们常说宇宙是真空的,或者宇宙是绝对零度的。实际上这两个说法是错误的。具体是咋回事呢?

这里我们来简单的科普一下,首先,太空确实很空旷,这点确实没有错。我们可以通过宇宙学理论来计算宇宙的平均密度,这个密度的水平大概就是一立方米不到一个氢原子的水平。在地球上的任意一个实验室中都无法做到这个程度的“真空”,但毕竟还是有“原子”,因此,太空并不是真空的。不过,由于微观粒子数量实在太少,因此,太空并不能够很好地显示出温度来。

很多人都以为宇航员如果暴露在太空中会被冻死,通过这段讲述,你应该就会知道,宇航员其实并能够感受到太空的温度,更谈不上冻死,实际上,人如果暴露在太空中,要么憋死,要么体液沸腾而死。

除此之外,太空也不是绝对零度,具体来说,这个温度应该是比绝对零度高2.7度,记为2.7K。这个温度来自于宇宙大爆炸残留下来的“余温”,也被我们称为宇宙微波背景辐射,目前我们可以通过探测器来探测到它。

地球如何接收太阳的热量

了解了上述的情况,我们再来看看地球是如何接收太阳的热量。一般来说,热量的传递分为三种方式分别是:

  • 热传导
  • 热辐射
  • 热对流

地球接收太阳的热量属于热辐射

具体来说是这样的,太阳的内核在发生核聚变反应,4个氢原子核通过核聚变反应生成氦-4原子核,同时损失一部分质量,这部分质量以能量形式,或者我们说是以电磁波的形式向外传播。

在这个过程中,太阳每秒要损失420万吨的质量,这部分质量都以能量的形式传递出去的,我们可以通过质能等价公式E=mc^2来计算这个能量的大小,是一个十分巨大的数字。

为了帮你理解这个数量级差异,就拿钱来做比喻。这相当于太阳每秒钟要向太空扔掉70亿,而被地球接收到的仅仅只有3万左右,而人类真的利用上的只不过3元而已。

这里补充一点,太阳是一个等离子体,因此,产生的光子要跑到太阳表面大概需要14万年的时间。从太阳表面达到地球,整个过程大概需要8分20秒的时间。

太阳产生的光子在经过太阳和地球中间的这段路程时,就像上述所说的,因为太空十分空旷,所以并没有受到什么阻挡,可以直接抵达地球。

由于地球是一个密度巨大的物体,分子数远远高于太空,这些构成地球的分子会吸收来自于太阳的辐射,将其转化为分子的热运动,当分子的热运动变得剧烈,地球的温度也就开始升高了。所以,地球能够接收太阳传递过来的热量,最根本的原因就是地球的密度足够大,构成地球的分子数可以直接把太阳辐射过来的光子接收到,并转化为热运动。

造成“宇宙真空间”的罪魁祸首是各大星系、各大星球的巨大的黑洞磁场引力,连光都逃不脱它的魔掌,尘埃、空气就更不用说了。所以,各大星系、大星球之间的中间地带都是真空。但是有一点必须要知道,那就是:任何物质都被宇宙微粒子包围着(好像宇宙是大海大洋,任何物质都是大海大洋里的鱼儿一样,我们人类便是其中的小鱼仔)。真空里也同样被宇宙微粒子层层包围,建构成:整个宇宙都是微粒子的宇宙,宇宙微粒子把我们人类、星球、星系等等连成了一片(太奇妙了!)。有人做过实验微粒子是导热的吗?微粒子不导热就是不导电,但是它导光,微粒子导光的速度是每秒三十万公里(我们平时所说的光速)。在这里,太阳的光照射到地球上,大家都知道,地球是有大气层的,并且还有上、中、下三层重要的气体,这些气体是物质,有些我们看不到,但有些我们可以看得到,它们在太阳光的照射下,发光、发热,在地球上空流动滚转,像一面大型的锅锅凹镜一样、像数也数不清的微型激光一样和地球表面的海洋、高山、沙漠相聚反射,导致地球产生了热量。

这个问题归根结地是题主把“热”这个概念狭义化了!

什么是热量?

大多数对于热量这个概念的第一反应就是温度,殊不知温度只是定性反应分子热运动剧烈程度的宏观表现,而热量则是表示能量转化或传递的量度。

其实所谓热量说到底它仍是能量,只不过它的产生只来自于物体粒子的运动,我们知道一个物体虽然宏观看上去静止不动,但是从微观角度来说构成这个物体的所有粒子都是运动,并且彼此碰撞和反弹,所以这些粒子运动和碰撞的越快,那物体产生的热量就越多,所表现出的温度也就越高。

热量传递的三种方式

既然明白了热量的概念,我们再来想想热量的传递。

生活中我们会感受到,温度高的问题和温度低的问题放在一起,一段时间后两个物体会差不多等温,这就是热量传递的第一种方式-热传导。再来想想大家都用电脑,经常会谈到散热这个话题,那么无论是用风扇还是水冷,都是为了将器件产生的热量排出去,这就是热量传递的第二种方式-热对流

那么你会想太阳对地球的热量传递不是这两种方式呀,因此太阳与地球之间热量传递的方式必然是另一种形式。

热辐射

我们前面说了热量的本质仍是一种能量,那么热量的传递也可以是能量的变换。

我们知道太阳无时无刻都在发生核聚变,在这个过程中会释放各种不同波长的电磁波,包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线等等。这些电磁波到达地球后会被地球吸收,从而将光能转变为了物体的内能,表现出物体的温度上升了。这就是热量传递的第三种方式-热辐射。

其实这种现象不仅仅是太阳,我们浴室中所用到的浴霸也差不多是这个原理。当然太阳也会发出一些高能粒子,高能粒子可以通过热传导加热地球,只是这部分作用占比非常非常小。


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绝对的真空是不传热的,但宇宙中的真空可不是绝对的真空。因为宇宙中除了恒星、行星、卫星、小行星之外,还有星云、星际介质、及尘埃等。虽然它们很稀薄,但普遍存在于宇宙之中,太阳的光辐射就是通过这些小小颗粒传递到地球的。

因为这些介质很稀薄,所以太阳光辐射的热量到达地球是很微弱的。那么为什么我们人类却感觉很温暖呢?这就要感谢地球的大气层了!它就像一层厚厚的盔甲,保护着地球上的万物生灵,不受外来天体的撞击而带来的灭顶之灾。同时,它又把太阳微弱的热辐射保存起来,就像农村的温室大棚一样,让热量传递到温室里面,一层塑料薄膜把温度隔离在温室内。让温度正好适合所有生物生存的标准。让地球成为了这个宇宙奇迹。

这就是真空不传导热,而地球却温暖如春,生机勃勃,气象万千。



真空不传热,地球是怎么接收到太阳的热量的?

在我们的印象中,热量的传输要通过一定的媒介作为中间传导物质,然后才能从一个热量高的物体传传输到一个温度较低的物体之上,无论是利用火焰来加热,还是用体温计测量体温,都是这个道理。而且我们知道,真空的环境中就不存在这个热量传输的媒介,温度的传输就失去了物质载体,保温瓶之所以保温,就是利用了真空绝热的这个原理。那么,从太阳释放出的热量,如何通过茫茫真空地带到达地球呢?

温度和热量的关系

在搞清楚地球为何能够接受到太阳释放的热量之前,我们先来了解一下温度、热量以及它们之间的联系。

1、温度是一个人为创造出来的物理量,它是用来衡量组成物体微观粒子平均动能的一个物理标量。我们通过温度为具体数值,可以直接反映出物体的冷热程度,而通过温度的变化,则能直观得看出物体平均动能的相互变化情况。从微观粒子的运动层面看,无论是分子、原子,还是组成元素原子中的质子、中子,每时每刻地都在做着无规则的振动、碰撞和摩擦,温度如果越高,物体内的微观粒子做无规则运动的速度就会越快,从而粒子的平均动能也就越大,我们称之为这个物体所具有的内能就越多。

2、热量是微观粒子具有内能的直接体现,是物体在热传递过程中内能变化的量度。它是一个相对的概念,是物体本身所拥有的一个固有属性,不代表着温度低它就没有热量。热量是与热传递紧密相联的,一个物体吸收或放出热量,实质上就是是物体具有内能的变化数量,体现在温度数值的变化上。

3、温度与热量既有联系,也有区别。温度与热量,都是直接与物体所具有的内能直接相关。温度是反映热量转移的结果,热量转移是温度变化的直接原因。由于物体所具有的内能的来源包括两个部分,其一是对物体做功,其二是热传递,因此,物体的温度没有发生变化,或者物体没有吸引或释放热量,都不能代表物体内能没有变化,通过做功的方式同样可以增加物体的内能,却不改变物体的热传递,物体没有与外界进行热交换,温度也不会发生变化。

宇宙中热量传递的方式

热量从一个系统传递到另一个系统,或者从系统中的一个部分传递到另外一个部分,这种物理现象我们称之为热量传递。我们在日常生活中常见的温度变化,主要是热量的传导过程,必须依赖相应的物体作为媒介才能完成。其实,在宇宙空间中,总共有三种主要的热量传递方式,热传导只是其中一种。这三种方式为:

  • 热传导。组成物体中大量的微观粒子通过热运动产生的相互撞击,使内能从物体的高温部分传导到低温部分,或者由高温物体传递给低温物体的过程,我们称之为热传导。热传导必须通过媒介物质作为中间“热导体”才能实现,最明显的热传导就是通过固体进行传导,比如直接加热一个勺子,加热的部分很快变热,隔一段时间后热量就会传递到勺子的另一端。

  • 热对流。热量通过具有流动性质的媒介物质,从一个物体传递到另一个物体或者从物体的一个部分传递到另外部分的过程。这个具有流动性质的媒介,与刚才提到的热传导中的固体媒介不同,这时则是通过液体和气体作为媒介,通过媒介物质的循环流动,使得热量得以传输,最终使温度趋于均匀。比如我们烧开水的过程,实质上就是热传导和热对流兼有的一个过程。而我们在日常生活中经常遇到的大气对流,热空气上升和冷空气下降,实际上也是一个热对流的过程。

  • 热辐射。与热传导和热对流不同,热辐射不通过特定的媒介进行热量传输。宇宙间的物体,其组成的微观粒子都具有不同速率的运动方式,从而都具有比绝对温度要高的温度(绝对温度时微观粒子不表现出任何的运动,其内能为零,因此只能理论上存在这样的温度),那么这个物体就会具有以电磁波形式向外释放热量的能力。温度越高,电磁波能量就越强,波长就越短。反之一般的电磁辐射,由于物体本身温度较低,其辐射的波长就越长,能量就越低。

地球能够接受到太阳辐射的原因

在宇宙空间中,除了恒星、行星、卫星、彗星之外,其余空间的物质组成密度极其微小,很多都是呈现“虚空”的状态。据测算,宇宙空间中的物质平均密度仅为10^(-29)克/立方厘米的级别,也就是仅有几个质子,它们之间的间隔相对来说非常远,相互碰撞、摩擦的几率很小,这也是为什么星际空间温度非常低的原因。与此同时,这种低密度的物质分布,也使得微观粒子传输热量的可能性微乎其微,因此,对于热传导和热对流这两种热量传输方式,就失去了其必须具备的媒介。

那么,只有一种方式可以进行热量的传输了,那就是热辐射。因为热辐射的方式是以电磁波的方式作为能量的载体,不需要特定的媒介物质,在真空中都可以有效地传播。来自太阳的核聚变,使得向外辐射出的电磁波具备了很强的内能,继而转换为电磁波传播过程中的辐射能,在物体接收到这些电磁辐射能量时,又会进行能量的转换,从辐射能转换为内能,从而表现出能量的吸收和温度的升高。

从地球的视角来看,地球表面所承载的各种物体,包括地球的大气层,都能够接收到来自太阳发出的电磁辐射,从而转换为这些物质的内能,热量实现了从太阳到地球的传输。之所以地球上的温度能够保持稳定,与大气层的存在密切相关,一方向能够吸收太阳的短波辐射,使得大气层自身的温度得以保持,而且还可以向地面继续进行热量传输。

另一方面,也可以吸收来自地球发出的长波辐射,使得热量在大气层外围、大气层和地球三者之间形成了一种稳定的输入输出状态,相当于给地球加了一层保护措施,确保地球的热量积聚和散失处于一种动态的平衡状态,才不至于过热或者过冷。

由于电磁波与光的特性相同,同样遵守着波粒二象性,在携带着能量传播的过程中,遇到星际空间中存在的微量气体、星际尘埃等物质,虽然这些物质稀薄,但一样会使电磁波发生投射、反射或者折射现象,这也是为什么来自恒星释放出的热量,在传播很远的距离后同样会发生衰减的原因所在。

总结一下

太阳释放出来的光和热,是整个太阳系包括地球稳定运行的能量来源,我们地球上的生命之所以欣欣向荣,来自于地球能够有效地吸收和保持来自太阳的辐射能量。而地球之所以能够接收到太阳的辐射,主要原因在于热量可以通过热辐射的方式进行传导,这也是大尺度宇宙空间中热量传输占比最大的一种方式。

科学解释:真空不传热,地球是怎么接收到太阳的热量的?

真空无法产生传导和对流,这两个定义无比准确,相信各位都知道在没有任何介质的情况下传导和对流是无法发生的,但辐射可以无所顾忌的穿过真空,从太阳到达地球,慷慨的给予每一个生命以热量!但这里有几个问题,太阳的热辐射是怎么穿过真空的?所谓的真空真的是没有任何物质吗?为什么会说有宇宙尘埃?

太阳的热辐射是怎么穿过真空的?通过什么介质?

地球从太阳上获得的热辐射的主要来源就是可见光辐射,当然还有我们看不到的紫外和红外波段,如果各位有卫星通信经验的话,肯定还知道有一个来自太阳的强射电干扰,另外也还有大部分被大气层阻挡的X射线辐射和γ射线辐射,简单的说,太阳就是一个全波段的射电源,从微波段开始到可见光再到伽玛射线,整个频段都覆盖了透彻,但它们的分布有些区别:

  • 可见光部分占太阳辐射总量约50%
  • 红外部分占太阳辐射总量约43%
  • 紫外部分包括Χ射线等,占太阳辐射总量的7%

这些辐射的全频段就是电磁波,当然我们是认识光在前,而认识光也是电磁波则比较靠后了,早在古希腊时期的先贤就认为世界是有四种元素构成的,分别是:“水、火、土、气”,而亚里士多德则提出了第五元素以太,牛顿曾经借用以太作为引力传递的介质。

早期认为光是粒子时并没发现这是一个严重问题,因为粒子传播大家都觉得没有介质并这很正常,但后来发现了光也是一种波,突然问题就变得很严重了,比如声波需要通过空气或者水或者固体来传递,而且介质越硬速度越快,比如水中的声速比空气快,钢材中的声速比水中快,而光的速度在19世纪初已经测试个大概了,大约30万千米/秒,这可是一个严重问题,什么物质中传播能让光这么快呢?

必须是以太,以太就是一块砖,哪里需要哪里搬!当年牛顿用以太来传递引力,现在光也在以太中传递,下面还有电磁以太,因为它需要传播电磁波!当1860年代麦克斯韦通过他的方程组推导出电磁就是光,而且光速是一个常数时,科学界并没有意识到这是一个问题,但到1887年以太论的狂热支持者迈克尔逊和莫雷想要测试下以太漂移时却发现是个零结果,到底是以太不存在还是光速不依靠以太?但无论是哪个结果都差不多,以太时代该结束了!

爱因斯坦抛弃以太论以光速不变和狭义相对性原理推出了狭义相对论,结果大家都知道了,大获成功,死守以太论的洛仑兹和庞加莱后悔不已,当然爱因斯坦也认为即使他不推出,5年内必然也有人会推出。

至此我们了解到光/电磁波穿过真空时不需要任何介质的,所以我们可以放心大胆跟太阳光说,放马过来吧!

光不是只穿过了宇宙么,为什么晒到人身上就感觉热了呢?

首先我们要来认识下什么叫热,有温度就是热,没温度就是冷,这是大家不太严谨的形容方式。当然无论热或者不热,它都有温度,只不过热的温度远高于体温,冷的温度远低于体温罢了,那么问题来了,温度到底是个什么东西?

曾经历史上将它理解为热质说,认为热质是一种没有质量的气体,物体吸收热质后温度会升高,释放热质时则会降低。在1798年英国科学家监督加农炮镗孔时发现,钻头的摩擦会导致高热,而越钝的钻头则越热,因此他提出了分子运动的理论。

1799年汉弗里·戴维在设置了一个实验,周围环境隔绝的容器中两块摩擦的冰,最后融化成了水,因此汉弗里·戴维认为热质不存在。

1840年焦耳进行了多次导体发热实验,发现其热量和电流的平方成正比,因此他认为热量只是一种能量的形式。1850年时鲁道夫·克劳修斯发表论文提出热质说及分子运动论其实不相容,热质说成为历史,分子运动论渐渐成为主流。

分子运动论认为温度就是分子运动剧烈程度的表现,而输入能量可以让运动剧烈程度增加,辐射就是原子核外层的电子在更高轨道跌落到基态时所释放的光子,光子携带的能量被目标物体吸收后会加剧其分子或者微观粒子的运动程度,直接表现就是被晒热了,甚至被晒烫了。

太阳光穿过茫茫宇宙给大家送来了光和热,还不要钱,你们一点都不感动吗?

太空中真的啥都没有吗?

其实这并不准确,因为在地球轨道附近的太空中,每立方厘米仍然存在5-10个原子,甚至可能更多,而在整个地球轨道平面形成的黄道面上则存在大量的尘埃,它们组成的集合反射的太阳光就是我们在特定条件下能看到的黄道光。

黄道光与银河

而银河中影影绰绰的暗影带则是银道面上的大量尘埃所构成,甚至挡住了银盘面上大量的光线,使得我们天区中有部分区域是可见光所看不到的,因为可见光被尘埃吸收了,只有X射线和伽玛射线以及电磁波才能穿透尘埃!

但这些物质的密度对于我们常见的物质来说,实在是过于稀疏,它们吸收光辐射的能力是有限的,因此穿过了茫茫宇宙的太阳光仍然将绝大部分光辐射带到了地球,成为万物生长的能量来源!

热传递三种方式: 传导,对流,辐射,分别对应着固体,流体和真空三种传递界质。太阳通过真空传递电磁辐射,电磁辐射携带能量,其中红外辐射穿透大气层的能力最强,携带有大量的热能量到达地面。

太阳用事实证明:真空可以传热!

热传递有三种方式:传导、对流和辐射。

热沿着物体传递叫做传导;靠液体或气体的流动传递热的方式叫做对流;热由物体沿直线向外射出去叫做辐射。

毫无疑问,真空中不能发生传导和对流,但可以通过辐射方式传热,其实热辐射就是一种电磁波辐射,电磁波传播不需要介质,并且,真空中不受任何干扰,传播速度最快,传播的质量最高。在其他介质中,会受到阻碍,速度会减慢,强度也会减弱。

茫茫太空没有空气,太阳的热就是通过辐射方式传给地球的。

地球每年有几十顿的大气逃逸到太空中,按30顿计算,这些大气的粒子数大概有6.02*103o个。把这些地球逃逸出的空气粒子分散到地球周围100万公里的范围之内 ,大概的体积是4.18*103o米3,平均1.5个/米3,地球已经存在50亿年了,所以地球周围太空的空气含量应该有7.5亿个/米3以上,而不是一些专家说的,太空中的粒子每立方米只有1到十几个。

粒子间的各种弱相互作用都会产生中微子,太阳系中每天那么多的原子衰变、聚变、裂变都会产生中微子,我感觉中微子在太空中的密度不会比光子密度小。

还有那些未被科学家发现的粒子,太空中的含量不知有多少?

真空不传热是正确的,但是太空不是真空,真空不传热,与地球怎么接受太阳能量没有关系。

太阳可以通过太空中的粒子把能量慢慢地传导到地球上,也可以发射高温中微子把能量带到地球上,还能以太空中的各种粒子为传播介质,把能量传播到地球上。

如果你相信相对论,太阳还可以通过虫洞,对地球传送能量。

真空不传热,地球没有接收到太阳的热量。热量依赖于物质,太阳到地球之间是真空,不能传递物质。太阳光是电磁波,没有质量没有温度。不是光子不是量子,太阳光是电磁力。

太阳能是叫惯了的名称,应该叫做太阳力。地球接收到太阳的是电磁波,是电磁力,是太阳力,不是接收太阳的热量。

能量是物质和力的配合,没有物质就没有温度,就没有能量,也没有热量。太阳光照到地球上,是太阳力跟地球物质配合,产生能量,物体温度升高才变成热量,物理学家们别一直错下去了。

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