谈谈传热：我也来蹭蹭热点

　　天之道，其犹张弓乎？高者抑之，下者举之；有余者损之，不足者益之。

　　这几天，总是看到那条关于“降温薄膜”的新闻：厉害了，一张薄膜能将室温狂降17℃！这个工作是今年二月份发表在Science上的，当时就有好些相关的新闻宣传，不知道为什么这几天又热起来了。

　　在太阳当头的正午时分，把一张特殊设计的塑料薄膜蒙在物体上，可以让物体温度下降。通过加热物体使之与周围气温相等，可以得到这片塑料薄膜的散射功率为100W每平方米。由此推论，如果把这种薄膜当作房子的屋顶，就可以在户外温度为37℃的时候、让室温达到20℃。这就是“室温狂降17℃”的来历——当然这只是个推论，并没有真的做到。Science文章里只是测量了散热功率，还给了一个让水降温的实验：在夜里，蒙有这种特殊薄膜的一盆水（大约2厘米深），温度从气温的15℃降低到了5℃。并没有一间屋子什么的。

　　很多人觉得这种“降温塑料”很神奇，甚至怀疑有什么猫腻，其实是因为没有抓住其中的诀窍，被半通不通的科学新闻给忽悠了。实际上，这件事就是个简单的传热问题，只要用中学物理就可以定性地搞明白，如果一定要定量的话，也不超过大学普通物理的范围。下面就简单地讲一讲吧。

　　我们都知道，热量会从高温物体向低温物体转移，直到二者的温度相等。我们还知道，热量的转移有三种方式，传导、对流和辐射。简单地说，就是这样的：如果高温端和低温端之间是固体，或者虽然是液体气体、但保持静止并不流动，那么热转移的方式就是传导，传递能量的其实是能移动的电子、固体原子的集体运动即“声子”、或者气体液体中原子的扩散；如果高温端和低温端之间是液体或气体，而且这些流体并不静止、而是有着宏观的运动，那么热转移的方式就是对流，能量高的（热的）原子跑到冷端，能量低的（冷的）原子跑到热端，这种方式的热转移效率比较高；如果高温端和低温端之间啥也没有，热转移就是通过发射光子，所以叫作辐射，这种光子可以是可见光、红外光或者其他电磁波，具体形式依赖于物体的温度。

　　再说一遍，热量的转移就这么三种方式：传导、对流和辐射。如果你想保温，就要尽可能地切断这些途径；如果你想散热，就要尽可能地增强它们。

　　暖水瓶就是一个很好的例子：瓶胆由双层镀银玻璃做成，能把红外线反射回去，从而降低了热辐射；两层玻璃之间抽成真空，就没有了对流；瓶盖是不容易传热的软木塞，尽可能降低热的传导。挡住了传热的三条途径，热就可以长久地保留下来——不仅可以放热水，还可以装冰棍。

　　夏天中午的房子是另一个例子：屋顶挡住了太阳光（降低热辐射）；墙壁和门窗挡住了气体的对流；墙壁和屋顶降低了热传导——所以你不喜欢铁皮屋子！

　　可是，你马上就会问，这不能散热啊！散热是怎么做到的呢？很简单，因为这时候我们需要考虑的不是太阳和屋子这两个物体，还有第三个物体，温度特别低的物体——辽阔的太空。

　　先用些简单的例子来说明吧。

　　我们都知道，白天热、晚上冷，白天热是因为白天有太阳晒，晚上冷是为什么呢？因为地面的热量发送到太空里去了，温度就降下来了。所以，太阳、地球、还有太空，这是个三体问题:-)

　　地球上面有个大气层，问题就比较复杂。更简单的是月亮。月球朝着太阳的一面，最高温度可以达到100多度，背对太阳的一面，最低温度可以低到零下100多度。温度不能再高和再低了，因为任何材料都有热容量，还因为月球在转动。

　　现在就可以讨论房子的问题了。房子既吸收来自于太阳（还有周围空气）的热量，也向外太空发送热量，这两者达到平衡的时候，温度就不变了，否则就会升温或者降温。太阳的温度和房子的温度是有巨大差别的，所以它们发射的光的波长也有显著不同，太阳光谱主要在1微米附近，而室温材料的光谱大约在10微米左右。一般的材料，发射和吸收的本领是相似的，但是，如果你能做出一种特殊的材料，使得它们对1微米的光是高反射，而对于10微米的光是高发射，就可以做到正午时分也降温了：太阳光都被反射走了，室内的红外光还可以发射到太空去，温度当然就比室外低了——外面有太阳晒，而里面没有太阳晒，就是这么简单。

　　Science这个工作的主要内容就是做了这么一种材料：把许多直径在8微米左右的小玻璃珠子随机地镶嵌在透明塑料中，这就保证了对10微米的高发射（他们有理论和实验证据的，我这里就不多说了）。可见光部分的高反射怎么实现呢？如果在塑料薄膜背面镀一层银膜，当然可以保证高反射，但是这只是个“如果”——高反射率的银膜实际上是蒸镀在硅片上的，然后再贴上降温塑料薄膜。由此可以知道，降温薄膜每平米五十美分的价格，其实是不包括高反射率银膜的。

　　好了，就是这么简单的道理。但是，这种降温薄膜是不是真的能够做到“一张薄膜能将室温狂降17℃”呢？其实还是有很多困难的——即使真的能把高反射率银膜蒸镀到塑料薄膜上，恐怕也还是有很多困难。

　　首先，这要求你的屋子没有房顶，否则，降温的效果已经被房顶做了个七八成了——夏天里你一定进过空旷的大房子吧？里面的温度是不是比外面低个十度八度的呢？

　　其次，辐射只是热转移的一个途径，传导和对流可能会占据更加重要的地位。在这件工作里，他们选用了无风晴朗的天气来做实验，选择加热板子来测量散热功率而不是直接让物体降温，就是为了减少传导和对流这两个因素的影响。在夜里做把水降温的实验时，也不得不在降温薄膜和外界空气之间在放上一层塑料薄膜，从而在二者之间形成了一个空气绝热层。

　　第三，100W每平方米的降温功率听起来很大，其实是很小的一个数值。随便举个例子吧：人的基础代谢大概是每天1500大卡，也就是说，一个人躺在那里一动不动，消耗的功率大约就是100W，而人的表面积也大约是1平方米。但是你要知道，一个人站着的时候，朝着天空的面积只有0.05平方米左右。也许这个例子不够明显，那就再举个例子吧：一个手机的面积大概是0.01平方米，贴上降温薄膜得到的最大散热功率大约只有1W，这点功率够干啥呢？

　　实际上，都用不着说这些困难。

　　你可能已经看出来了，如果真的蒸镀了高反射率银膜的话，这种降温塑料薄膜就是一面镜子！一面薄薄的、软软的高反射镜！别吃惊，确实如此，如果你把自己家房顶拆了，再严丝合缝地放上一面大镜子，效果也是一样的！不好的地方就是：镜子容易碎，碎了的镜子会伤人的；50微米厚的薄膜虽然容易破，但是它不会碎啊，破了也伤不了人的。

　　至于说什么“把它包在电脑、手机上，就不会过热了”，这就更不靠谱了。原因很简单，这种降温机制要求被降温的物体必须直面冷酷的人生，对不起，应该是直面浩瀚的太空，因为那里的温度低，但是电脑和手机面对的是热乎乎的天花板、或者是你那红光满面的笑脸，它不升温就不错了，降的是哪门子温啊？