為什麼一千度的高溫能凍死人?
地球大氣層的熱層溫度達到了1000攝氏度,但人如果暴露在這個環境下,很可能會被凍死。「熱層」位於大氣層80~800千米的高度,在這個高度上,其實已經有人造衛星了。
> 大氣層結構(維基百科)
最有意思的是,在這個高度上,氧原子會吸收太陽的短波輻射,從而被急劇加熱,可以達到1000攝氏度的量級。雖然溫度如此之高,但如果把人暴露在這個環境下,即便不考慮窒息、低壓等問題,人仍然會因為寒冷而死。(前提是不被太陽照到)
這可能很反常識,但實際的原因在於,這裡的空氣太過於稀薄。這個時候,從空氣傳到人體的熱量很少,而人向外輻射的熱量很多。
任何物體,只要溫度高於絕對零度(-273攝氏度),那他就會自發的向外輻射熱量。這個功率只與溫度和表面積有關。
進而,只要輻射的功率大於從空氣吸熱的功率,人的溫度就會下降。
在這樣稀薄的空氣中,從空氣傳到人體的熱量非常少,而人輻射出去的熱量又非常多。所以在這樣的環境下,確實可以把人凍住。
按照我們平時的常識,如果溫度越高,那麼我們就會感覺越熱。特別是上到1000℃的時候,基本能把人硬生生「烤熟」。
但是為什麼網上有些人會說「1000攝℃的的高溫能凍死人」呢?這明明違反了我們已知的生活常識和物理定律,或者牛頓看到了都能給氣活……
其實,這未必是謠言哦~
首先,我們先來了解下溫度的本質舉個簡單的例子:
比如平時我們燒開水,如果我們只是把手放到火焰前,只是快速熱一熱是不會有事的。但是如果是碰了一下高溫的開水,我們卻會立即被燙傷。
明明溫度相近,兩者卻有不同的效果,這是為什麼呢?這就涉及到一個物理概念:
溫度,是由微觀粒子的運動劇烈程度決定的。(熱傳導的介質)
其實所有宏觀的物體,都是由微觀粒子構成的。正是因為這些微觀粒子,不停地做熱運動,才會產生溫度。
而上面燒開水的例子中,之所以明明溫度相近,兩者卻有不同的效果。就是因為空氣和水中的微觀粒子數量不同。
同樣溫度下,開水中的熱粒子會比空氣中的多得多,這也是為什麼人在80~85℃的干蒸桑拿房裡焗著都沒什麼事,但是人接觸80℃以上的開水,就會被立即燙傷的根本原因。
而說回到題目:如果熱到1000℃,人反而會被「凍死」呢?其實這是建議在一個條件之上的:即在地球大氣層熱層內。
上面我們也說到,人對溫度的感受如何,主要取決於環境中的熱粒子的多少。
而在地球大氣層熱層(大約在離地表85公里以上的高空),溫度可不僅可以去到1000℃,最高還能達到2500℃。
但是地球大氣層熱層,氣體密度極低。按照科學定義,大約離地表100公里以上的高空,就可以認為是接近真空的了。
而在這些氣體密度極低的近真空環境中,其實熱粒子是很少很少的。也就是說,物體在地球大氣層熱層中,能接收到的熱量會很小,不像地球上有著大量的空氣進行熱傳導。
所以如果人在1000℃以上的地球大氣層熱層時,不考慮窒息的問題,不僅不會被熱死,反而會被宇宙中接近零度的超低溫低,凍成一個大冰棒,活生生給凍死。
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地球大氣層的外緣確實有一部分溫度會非常非常高,這一層大氣被稱為「熱層」,或者熱成層、熱氣層或增溫層,是地球大氣層的一層。它位於中間層之上及散逸層之下【如下圖中的Thermosphere所示】。
之所以這層大氣的溫度會如此之高,是因為太陽輻射會對這部分大氣產生電離作用——這部分大氣中的氧原子會大量吸收太陽光中的短波輻射。所以這部分大氣的溫度可能達到2000℃以上。而且,我們熟知的一種現象,「極光」,也是發生在這層大氣中的。
但是,必須要強調的是,熱量和溫度是兩回事!什麼是溫度?溫度其實是分子運動強度的一種衡量,所以熱力學裡面有一個很重要的等式,那就是氣體中單原子分子的平均動能為E=3KT/2,其中T就是溫度。簡單來說,一百個相同溫度的原子混在一起,溫度不會改變。就好像兩杯50℃的水混在一起不會變成100℃一樣。
而熱量就不一樣了,熱量是一堆氣體總的動能,所以跟氣體的總量有關。簡單說,一立方米氣體的熱量是兩立方米相同溫度氣體熱量的一半。
大氣熱層雖然溫度高,但是因為空氣極度稀薄,所以總的熱量很低。要知道,大氣層外層的空氣是非常稀薄的,這就導致雖然這些空氣的運動很激烈,但是總的熱量實際上不高。而人本身是有一定的比熱容的,也就是說必須要充足的熱量才會使人體溫度升高,所以靠近人體的那部分大氣就算把熱量全部傳給人體,也沒辦法讓人體溫度升高。
所以這麼說吧,一杯開水會把你燙傷,一滴開水會把你的手上燙出來一個水泡,而一顆針尖那麼大的開水掉到你手上,你可能就什麼感覺都沒有了。
而人在太空中,會不斷向外輻射熱量,又得不到外界熱量的補充【夏天你不穿衣服都不覺得冷,是因為外界溫度跟你身體的溫度差不多,所以你的身體不會向外流失太多的熱量】,最後自然就會凍死了。
我們都知道地球上地面附近的溫度較高,越往上空氣溫越冷,然而在地球大氣層中間層的上方卻有一個熱層存在,那裡的氣溫從內向外逐步上升,最高時甚至可達1250℃左右,但是這裡的溫度卻又能凍死人,這是怎麼回事呢?
大氣層中的熱層亦稱熱氣層、熱成層或增溫層,位於中間層之上散逸層之下,其底部最低距地面約85公里,頂部離地面最高約800公里,這裡的空氣受太陽短波輻射而處於高度電離的狀態,我們常說的大氣電離層就位於這一層面,也就是說,這裡的氣態分子吸收了大量的太陽短波輻射能,同時這一層頂端的氣態分子也受到地球磁場的影響,這都使得其電子的能量增加,所以溫度較高,最高可達到1250℃以上。極光現象就發生在熱層中,在地球高緯度地區的大氣層頂端,太陽風中因磁場而被加速的電子會順勢流入熱層,與這裡的大氣分子撞擊而發生電離現象,當氣態分子不斷的被電離和還原的時候就會產生髮光現象,這就是極光產生的原因了。
在1000℃的高溫之下大部分金屬都會被融化,比如銀的熔點為961℃,鋁的熔點為660℃,鋅的熔點為420℃,鋰的熔點只有180℃,1200多攝氏度的高溫,就連金和銅都會被融化,一些鑄鐵的熔點也只在1200攝氏度左右,那麼既然大氣層中熱層的溫度如此之高,我們人類發射的各種航天器以及載人飛船等,又如何能突破這一層面進入太空呢?其實我們不能用地球上表面大氣層中的溫度來衡量地球熱層的溫度,因為大氣層底部的氣態分子非常的濃密,也就是說氣體密度非常大,但是在大氣層的熱層,氣體的密度就非常稀薄了,所以雖然這裡的溫度很高,但是卻並不可怕,如果有人在那個層面中呆上一會兒會覺得非常寒冷,體表感覺會是零下近百攝氏度的低溫,沒有體溫保護措施的話時間長了還會被凍死的。
所以地球大氣層中的熱層雖然溫度很高,但是由於氣態分子非常稀薄,其攜帶的能量也並不多,不足以將進入這一層面的物體的形態改變,所以各種航天器和載人飛船等經過這一層面的時候就不會發生什麼影響了。
其實太陽也有著類似地球大氣層熱層的這樣一個層面,太陽表面的溫度約5600℃,但是在距離太陽表面1-500萬公里以上的高空,溫度卻增加到1-100萬攝氏度,兩個月前美國人發射的帕克太陽探測器將到距離太陽620萬公里左右的區域去探測太陽風活動,那裡的溫度也會有幾十萬攝氏度,但是探測器靠向太陽一面的溫度卻只會達到1100℃左右,這也一樣是由於那裡的氣態分子太稀薄了。
1000攝氏度的高溫凍死人?看起來好像是違反了生活常識和物理定律,但仔細一想卻又非常合理!我們生活中確實存在類似「反常識」的現象。
比如桑拿房裡的溫度可以達到80攝氏度,但你卻會被80攝氏度的水燙傷,大家都是80攝氏度為什麼結果會相差那麼大?原來我們發現:桑拿房裡干蒸的溫度雖然是80攝氏度沒錯,但干蒸的水分子數量遠小於一盆80攝氏度熱水的水分子數量。換句話說就是大家都是80攝氏度,但是總能量是不一樣的,假設干蒸桑拿房裡的水分子數量是1摩爾,一盆熱水的水分子數量是100摩爾,那麼總的能量就是水分子數量×每個水分子的平均能量(宏觀上體現為溫度),那麼一盆80攝氏度的熱水的總能量就是桑拿房裡水分子總能量的100倍,這就是為什麼大家都是80攝氏度,而人體卻感覺一盆熱水更熱的原因了!
溫度的科學定義就是微粒運動的劇烈程度,但溫度卻沒有要求需要多少微粒。那麼假設在宇宙真空的環境中,在1立方米的空間內只有一個微粒在運動,那麼這個空間內的總能量就是1/2MV2,這個時候這個粒子就能夠代表這個空間內的溫度了,假設這個粒子表現的溫度為1000攝氏度,但當這個粒子擊打到人體上時,人體不會有任何感覺,因為雖然溫度高,但是熱度低,熱度相當於總能量了。
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所以我們也可以很好地理解,在距離地球200公里的熱層,雖然溫度高達1000攝氏度,但卻能凍死人!因為這個環境下幾乎是真空了,微粒數量非常少,雖說單個粒子的平均能量大,但是熱度總能量確是非常低的。人體在這個環境下,根本吸收不了多少熱量,溫度高熱度低,被凍死也是很正常的!這雖然很像文字遊戲,但各位科學愛好者一定要明白溫度和熱度是兩個完全不一樣的概念。
生活中違背常理的事情有,但並不多,這些違背常理的事情乍一看一點都不可能,不符合科學邏輯,但,有些事情當你知道真相之後,也許你就會目瞪口呆、恍然大悟了!
比如我們今天說的這個話題,一千度的高溫不是把人燙死而是凍死,你信嗎?
我們先來看個列子,許多人都有蒸桑拿的習慣,桑拿房的溫度可以達到80度的高溫你知道嗎,但是正常人可以在桑拿房裡面呆很長時間都毫髮無損,但你卻會被80攝氏度的水燙傷,那麼問題來了,都是80攝氏度為什麼結果會相差那麼大呢?
原來我們發現:桑拿房裡干蒸的溫度雖然是80攝氏度沒錯,但干蒸的水分子數量遠小於一盆80攝氏度熱水的水分子數量。
換句話說就是大家都是80攝氏度,但是總能量是不一樣的,假設干蒸桑拿房裡的水分子數量是1mol(摩爾),一盆熱水的水分子數量是100mol,那麼總的能量就是水分子數量×每個水分子的平均能量(宏觀上體現為溫度),那麼一盆80攝氏度的熱水的總能量就是桑拿房裡水分子總能量的100倍,這就是為什麼大家都是80攝氏度,而人體卻感覺一盆熱水更熱的原因了!
我們再來說一下這個溫度,溫度是表示物體冷熱程度的一個物理量,從微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度,但是溫度卻沒有要求需要多少微粒。
所以我們可以假設在宇宙真空的環境中,在1立方米的空間內只有一個微粒在運動,那麼這個空間內的總能量就是1/2MV,這個時候這個粒子就能夠代表這個空間內的溫度了,假設這個粒子表現的溫度為1000攝氏度,但當這個粒子擊打到人體上時,人體不會有任何感覺,因為雖然溫度高,但是熱度低,熱度相當於總能量了。
水分子了解了這些,我們就可以很好的理解為什麼一千度的高溫能凍死人了。
在距離地球200公里的熱層,那裡溫度高達1000攝氏度,但是那個環境幾乎是真空了,微粒數量非常少,雖說單個粒子的平均能量大,但是熱度總能量卻是非常低的。人體在這個環境下,是根本吸收不了多少熱量的,人體也是無法生存的。
也就是說在那樣的環境下,溫度高而熱度低,所以被凍死也是很正常的!
這是不是看起來更像是一個文字遊戲,其實不然,我們一定要明白溫度和熱度是兩個完全不一樣的概念。
怎麼樣?現在如果有人給你說「一千度的高溫可以把人凍死」,你相信了嗎?
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一般人第一次聽到一千度還能夠凍死人,肯定會覺得不可思議,甚至是感覺荒謬。
其實,一千度真的可以凍死人!在距離地面約800公里的地球熱層,這裡的氣體溫度就高達一千度,但是如果有人待在這個地方,照樣凍成冰塊。為什麼會有這麼神奇的現象呢?
首先我們需要明白一個問題,就是溫度和熱量的關係。物理學中有個關係式:
Q=CmT=CpVT
Q是熱量,C是空氣分子的比熱(常數),m是質量,T是溫度,p是物質的密度,V是體積。
也就是說,物質所具有的熱量和其質量以及溫度呈正比。地球熱層中,雖然溫度為1000℃,比較高。但是由於空氣實在太稀薄,幾乎近似於真空,所以密度p極小,故而pT相乘幾乎為0。也就是說,熱層單位體積內熱量幾乎為0,人在這麼低的熱量環境中肯定要凍成冰。
簡而言之就是溫度不等於熱量,溫度高不等於熱量高。
這個問題我們簡單地說,原因很簡單,就是太陽。你看月球表面,白天朝太陽一面溫度高達127攝氏度,而晚上沒有光照卻降低到零下183攝氏度。如此巨大的溫差變化當然是因為光照,這一點和宇航員頭盔上的溫度變化也是一樣的。
在頭盔被光照的部分,溫度很高,而沒有光照的地方,溫度接近宇宙背景溫度,因此宇航服可是一種很高端的裝置,可抗高溫和耐低溫。宇航員在艙外活動的時候轉個身溫度就變化了,這就是為什麼上千攝氏度的高溫卻能凍死人的原因。
這和距離地球表面幾百公里的熱層問題是一樣的,熱層會吸收波長短於1759埃的紫外輻射,這是熱層的溫度來源,顯然是受到太陽的支配,頂部溫度可達到1500K。
但是人如果出現在這裡肯定會被凍死,因為這裡是真空狀態,國際空間站才在300多公里的高度運行,真空中沒有大量粒子活動,人體也無法吸熱,那麼人體只會感受到空間背景溫度,當然就是凍死了。
為了解地球大氣層熱層的1000度高溫能凍死人的原因,需要知道溫度和熱量這兩個參數究竟是怎麼回事。
宏觀物體都是由微觀粒子構成,而這些粒子會不停地做熱運動,從而產生了溫度。因此,溫度在本質上是被用於表徵微觀粒子的平均動能,或者說熱運動劇烈程度。相比之下,熱量在本質上是指能量。
無論粒子數量有多少,只要粒子的運動速度越快,平均動能越大,則溫度越高。但即便粒子的溫度很高,只要它們的數量很少,它們所具有的總能量其實很小,也就是說熱量可以很低。因此,粒子溫度越高,不代表所具有的熱量越高。
以火爐和開水為例,人的手放在高溫的火爐前熱一熱不會有事,但如果人的手接觸開水則馬上會被燙傷。這是因為手放到開水中會接觸到數量多得多的熱粒子,從而導致手接收到大量的熱量而被燙傷。
地球的熱層位於地表上方大約80至700公里的地方,那裡的溫度確實很高,最高可達2500攝氏度。這主要是因為熱層中的氣體分子被太陽輻射電離,導致它們以很高的速度運動,從而產生高溫現象。但熱層中的氣體密度極低,要知道,高於地表100公里以上的地方就被認為是幾近真空的太空。因此,物體在熱層中所接收到的熱量其實很小,這樣的環境可以凍死人。
正因為如此,NASA的帕克太陽探測器才能夠飛入溫度高達上百萬度的日冕之中。該探測器最熱的部分將只會升高到大約1400度,而不是上百萬度。
熱層不熱是大自然中一種奇異現象,主要是指在大氣層的熱層部分,溫度可以達到1000~2000度,但卻感到很寒冷的現象。
大氣層熱層是指地表85公里以上到800公里之間的一個層次,太陽輻射經過那裡,會被那裡的空氣分子吸收掉全部的紫外線輻射,因此那裡的粒子升溫很快,溫度可以達到2000度以上。
那裡空氣十分稀薄,且氣壓很低,如不穿宇航服,沒有被冷死前,就會被憋死了。人們說那裡會凍死人,誰也沒試過,只不過是一個理論值和思想實驗罷了。
但那裡確確實實會凍死人。衛星資料顯示,在650公里的高空,雖然那裡的氣溫超過2000度,但衛星表面溫度在太陽直射時只有33攝氏度,一到達地球的陰影區,就會迅速下降到-86攝氏度,那肯定是會凍死人的。
為什麼會出現這種奇異的現象呢?這得從溫度與熱量的不同來解釋。溫度是粒子運動的結果,粒子運動速度越快,溫度就越高;而熱量卻要看粒子的多少,運動的粒子濃度越大越密集,所產生的熱量就越大。因此溫度與粒子數量無關,但熱量就與粒子的數量密度關係就密切了。
因此物質的密度越大,熱量的總量就會越大。比如人們烤火,火有幾百度,離得很近也不會覺得很燙人,但如果把手伸到開水中,卻很快被燙傷。這就是水的密度比空氣大很多的緣故,密度大的物質熱量就更大。
人們感覺熱和冷,主要是熱量的感受,而不是溫度的感受。
大氣層熱層的空氣已經異常稀薄,到了120公里以上連聲波都無法傳送了,到了300公里的高空,空氣只有地面的千億分之一了,再往上就更稀薄了。這樣雖然太陽紫外線輻射都被這裡的粒子所吸收,單個粒子的溫度很高了,但熱容量總量卻非常小,升高1攝氏度的能量需求,還不到海平面的億分之一。
那裡的溫度達到2000多度,看起來很嚇人,可以鍊鋼煉鐵了,但那裡的空氣分子太稀薄了,別說鍊鋼煉鐵,連高速運行的衛星都很難撞到。
有人測算過衛星運行在熱層撞擊溫度很高的空氣分子,每平方厘米所得到的熱量,要把1克水溫度升高1度,需要28個小時。
這就是在熱層雖然高溫,卻會凍死人的原因所在。
不信誰去試試,能活著回來就給5毛錢大獎,哈哈~
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