太空中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热

我们都知道太空中温度很低,根据测量宇宙微波背景辐射,我们可以得到宇宙的温度为2.725K,大约就是零下270.4摄氏度。但即使是如此,在太空工作的国际空间站,却并不会担心温度过低,反而要考虑如何给空间站散热,这是为什么呢?

太空中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

而且我们可能会想:太阳的表面温度高达5500摄氏度,连地球都被晒热了,那为什么日地之间还这么冷?要弄明白这个问题需要搞清楚以下概念。

首先我们要从温度的本质开始说起。

从宏观上来讲,我们对温度最直观的表达就是,表示物体的冷热程度,但从科学上来讲,冷和热都是相对的,存在一定的主观性。所以我们要从微观上来讨论。

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温度是由物体分子热运动而产生的,当分子热运动的程度越剧烈,物体的温度也就越高。所以我们通常讲:温度是物体分子间平均动能的表现。

所以我们可以总结出:温度是物质的,如果没有物质的存在也就没有温度可言。

而太空是什么情况呢?通过简单的计算可以得到,宇宙的平均密度在0.9*10^-29g/cm。换算下来大概就是:一立方米的空间内只有一个原子。由此可见,太空是多么的空旷,而单个或多个粒子是不存在在温度的,所以太空的温度才会如此的低。

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为什么太空的温度不是绝对零度?

宇宙微波背景辐射的温度来自于宇宙大爆炸,138亿年前,宇宙由一个温度极高的奇点大爆炸之后,开始迅速膨胀,温度也随之降低,现在科学家所测得的2.7k的温度,正是宇宙大爆炸后产生的余温。

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在绝对零度下,粒子的动能和势能都会降到了零,包括内能也为零,不与外界发生任何能量转化,包括连电子都停止了运动。学过物理的应该都知道,粒子在永不停歇的做无规则运动,这就说明了粒子永远不会停止运动,这就意味着绝对零度只是一个理想值,现实中是无法达到的。

所以太空的温度也不可能是绝对零度。但是仅比绝对零度高了2.7k,也足以说明太空中是非常寒冷的。

那么太阳的温度是从哪里来的?

太阳属于恒星,而恒星通常都占据所在恒星系的大部分质量,在太阳内部巨大的压力下,几乎所有的粒子的电子都会脱离原子核的束缚,成为一锅鱼龙混杂的粒子粥,我们把这种状态叫做等离子态。

有了高温高压的反应条件,再得益于量子隧穿效应的存在,氢原子核之间就会发生核聚变反应,生成氦原子核并放出巨大的能量。

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这个原理和氢弹爆炸是一样的,但太阳却没有一下子全炸掉,是因为当核聚变变得越来越剧烈,自身巨大的引力不足以抵抗核聚变产生的对外膨胀的压力时,由于外部压力的不足,就会间接减缓核聚变的程度。

当核聚变减缓到一定程度的时候,在自身巨大引力的作用下,又会增加太阳内部的温度和压力,如此循环,太阳会达到一个平衡状态:体积既不膨胀也不收缩。

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这才使得太阳能够不断的进行缓慢的核聚变。据估计,太阳可以持续进行这个过程长达100亿年,而现在已经过去了46亿年。

太阳的热量又是如何传到地球上的呢?

关于热量的传递一共有三种方式,分别是热传导、热对流、热辐射。

  • 热传导

其本质是分子之间相互传递动能,是介质内无宏观运动的传热现象,可以在液态,固态,气态之间发生,不过严格的来说发生在固态中才是纯粹的热传导。

通俗来说,热传导就是不同材料通过直接的接触而进行的热量传递,即高温热源与低温热源直接接触传热。这种情况是最常见的,比如在锻造铁具的时候,烧红的铁块浸在水中降温,这种传热方式就是热传导。

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而热传导在真空中是不存在的,因为真空没有介质。我们经常使用的保温杯就是利用了这一原理,把夹层抽成真空,从而阻止了热量的传道,保证了水的热量不会过快流失。

  • 热对流

是指两种存在温差的流体,由于流体的宏观运动从而引起各部分之间发生相对位移,冷热流体相互混合而引起的热量传递。

就算不解释,我们一听这个名称首先应该明白是发生在液体或者气体中的传热方式,简单一点的理解热对流就是通过介质的流动来传递热量的一种方式。

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既然热对流也需要介质传播,那自然在真空中也是不存在的。热对流和我们的生活也是息息相关的,比如我们在煮开水的时候,水开始冒泡,但是泡泡还没浮出水面就因为上层水冷,密度大,压强大而被重新压破,水气重新溶解到水中的时候,水就是在发生对流。

  • 热辐射

虽然也是传递热量的一种方式,但它和热传导、对流不同。
热辐射是高温热源以辐射红外线等形式向低温热源传热,热辐射中两个热源不直接接触,是远距离传热的主要方式,而且这种热传递方式可以不需要介质,可以在真空中传播。

一般来说热辐射就是一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的热传方式,温度越高,辐射就越强。热辐射是使地球变暖的方式,比如太阳的热量就是以热辐射的形式,经过太空再传给地球的,使地球变暖。

太空中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

说到这里我们应该都明白的差不多了,正是因为太空是真空的,没有介质,所以太阳根本无法把空旷的太空晒热,而地球上有足够多的粒子,太阳辐射遇到地球才会转化成粒子热运动的动能。这也正印证了之前所说的:温度是物质的。

而且如果我们真的拿一支温度计到太空测量,发现根本不会出现示数。因为太空中没有物质,所以也就不会有温度。

太空中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

回到题目中,为什么国际空间站会担心舱内过热,而增加散热呢?

了解了温度的本质和热量传递的基本方式之后,这个问题也就可以迎刃而解了。

我们再来简单阐述一下,因为太空是真空的,没有热传递的介质,所以在太空中的空间站只能通过热辐射的方式来损失热量,而热辐射的过程十分缓慢,根本比不上空间站那么多设备工作时产生热量的速度快,时间一长,空间站上就会聚集大量的热量,导致人们无法承受,所以要空间站需要增加散热。

太空中的温度为零下270摄氏度,为什么空间站反而要增加散热?

最后我们来总结一下:

  • 温度的本质是分子的热运动,没有物质也就没有温度。
  • 热量的传递有三种方式,其中热传导和热对流都需要介质,热辐射则不需要,但效率也最低。
  • 宇宙空间是十分空旷的,没有热传递和热对流的介质,热量只能通过缓慢的热辐射进行传递,所以空间站要增加散热,防止设备工作所产生的热量大量聚集在空间站内。
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