溫度其實是力學中的一個載荷,我們叫它溫度載荷,主要是熱脹冷縮引起結構內部應力的變化。我也曾寫過多篇關于熱應力的文章,有興趣的可以檢索一下。所以,我對這個問題也有自己的答案。這個問題中,水和油雖然都是100攝氏度,但是由于對流換熱系數的不同,單位時間內傳遞的熱量有差異。單位時間內,傳遞熱量多的,人體會更快的感覺到燙。那么,到底是水還是油呢?

1、溫度是什么?

發現一個奇怪的問題,盡管回答的人較多,但是都沒有明確給出溫度到底是什么,可能是覺得溫度太基礎了。但是,如果不知道溫度是什么,那么可能無法繼續下面的熱量傳遞。

要知道,溫度其實是我們人為定義出來的。早期的時候,人們覺得溫度高的燙人,溫度低的凍人。科學家為了衡量,就定義了一個溫度標準。沸水對應的溫度是100℃,冰水混合物對應的溫度是0℃,這是攝氏溫標的定義。一年四季的溫度變化,是我們最直觀的感受,如下圖。

上圖中,出現了另一個溫標,華氏溫標℉,這也是一個較為常見的溫標,主要是美國人在用。此外,在學術上,著名的溫標是開爾文溫標,也叫熱力學溫標K。除了這些溫標外,還有其他很多的溫標,如下圖,它們之間都有轉換關系。

說到開爾文溫標,這里不得不要提一下,絕對零度就是K=0對應的溫度。實際上,這個絕對零度一直是神一般的存在,只可仰望,無法企及。我曾經在某大佬關于絕對溫度的問答跟了一貼,說的是“如何測量絕對溫度?”結果引來一堆人攻擊。事實是,既然無法實現,當然也就無從測量了。

回到正題,絕對零度其實是物體內部粒子靜止時候表現出來的溫度。宏觀上,物體可以靜止、可以運動。在微觀上,組成物體的粒子始終處于運動的狀態(上圖),有運動就有能量。宏觀角度來說,粒子運動表現出來的能量,就是物體的內能。內能的一個衡量,就是溫度。所以,溫度宏觀上表示物體的冷熱程度,微觀上表示物體內部分子熱運動的劇烈程度。

2、傳遞熱量的時間如何衡量?

既然溫度是衡量物體內部分子熱運動的,那么只要溫度相同,不同物體內部的分子熱運動應該都是接近的。我們如果用儀器來測量題主所說的100℃的水和油,得到的溫度顯然都是100℃。但是,如果你細心,且用的溫度計是基于熱傳導原理,那么你應該會發現溫度計升溫的速度不一樣。也就是說,不同的材料(液體),熱量的傳遞是不一樣的。

前幾天,我剛計算過沸水煮密封玻璃瓶,里面用到了一個物理參數,沸水的對流換熱系數是2500w/m2k,這個數據表示單位面積內,溫度變化1K所傳遞的熱量。而空氣的對流換熱系數約8w/m2k,非常小的一個數據。這也就意味著,同樣的100℃,水和空氣中的物體,升溫的快慢會有顯著的差別。對流換熱系數越高,代表著熱量的傳遞速度越快。這個系數與溫度和流速密切相關,也不是一個正比的關系,如下圖。

100℃的時候,油還沒有開始沸騰。通過查閱資料,油類的對流換熱系數在50-1500之間,遠低于水的對流換熱系數。這也就意味著,同樣的物體浸入100℃的水和油中,在水中的物體溫度上升更快。

人體感覺到燙,就是由于熱量傳遞到人體后,單位面積內的熱量超過了人體承受的范圍,人體局部溫度過高。相同的情況下,在100℃的水中的人體,溫度上升更快,熱量傳遞更快,所以更早會感覺到疼痛,表現的結果就是,更疼。

3、總結

相同的條件下,水和油的對流換熱系數級別不一樣,水的對流換熱系數要遠大于油的對流換熱系數。物體在水中熱量的傳遞更快,溫度也就升的更快。以人體來說,人體在水中會更快感覺到燙人,表現出來的結果就是100℃的水更“燙”。

來源: 南京農業大學