E49-保温杯没有冷热开关,为什么热水能保热、冰水又能保冷?

E49-保温杯没有冷热开关,为什么热水能保热、冰水又能保冷?

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本期立意

保温杯看起来像同时拥有“保热”和“保冷”两个按钮:热水装进去,过了很久还比较热;冰水装进去,也能慢一点变暖。赫小妹一开始怀疑,杯子里是不是藏着两个小空调,或者装了一个会判断温度的冷热开关。

但保温杯其实不会制造热,也不会制造冷。热水的热量倾向向外传,冰水则通常在接收外面传进来的热量;保温杯做的,是把热量进出的道路都变得更难走。真空夹层减少空气传热和对流,反光内壁减少热辐射,杯盖和连接结构则尽量堵住其他容易漏热的地方。它只能减慢温度变化,不能让温度永远停住。

主播列表

  • **爸爸**:解释热量交换的方向,以及真空夹层、反光内壁和杯盖分别在做什么。

  • **赫小妹**:负责怀疑杯子里藏着小空调,提交室温水反例,检查杯盖,并争取研究员果汁经费。

本期金句

  • “保温杯没有两个小空调,只有一群被迫慢慢走的热量。”

  • “保冷不是把‘冷’锁住,而是拦住外面的热量来捣乱。”

  • “不管热量想进还是想出,保温杯都尽量让路变难走。”

  • “真空夹层不是让热量完全消失,而是让空气传热和对流少掉很多帮手。”

  • “保温杯不是时间停止杯,只是时间请走慢一点杯。”

本期内容大纲:你将会听到

  • 赫小妹为什么怀疑保温杯里藏着两个小空调或冷热开关。

  • 室温水这个反例,怎样说明保温杯不会主动加热或制冷。

  • 热水为什么向外散热,冰水为什么通常接收外面的热量。

  • 真空夹层怎样减少空气传热和空气对流。

  • 反光内壁怎样减少热辐射,杯口、杯盖和连接部件为什么仍可能漏热。

  • 为什么频繁开盖会让观察员变成“干扰实验的人”。

  • 保温杯为什么只能减慢温度变化,不能让热水和冰水永远保持原样。

亲子讨论与家庭观察

可以用常温水或凉水比较普通杯和盖好的保温杯,也可以比较同一个保温杯盖好和开盖时的变化。尽量保持水量、开始状态、放置位置和观察时间一致,不需要使用沸水,也不要反复开盖或用手判断高温。

观察之后可以继续问孩子:如果把室温水装进保温杯,杯子为什么不会把它变成热水或冰水?如果外面的温度比杯中冰水还低,热量方向又会不会改变?

参考资料

  • University of Sydney:Thermos Flask,关于真空夹层、传导、对流和热辐射的说明。

www.physics.usyd.edu.au

  • University of Colorado Boulder:Thermos Set,关于真空和反光内壁隔热作用的演示。

physicslabs.colorado.edu

  • HyperPhysics:Vacuum Flask,关于真空瓶减慢热量交换的基本原理。

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu