導語：熱量傳輸機制是什么？熱量傳輸機制是熱力學中一個極具深度和復雜性的概念，涉及到熱量在物質間的傳遞與轉化過程，而且從微觀角度看，熱量的傳輸方式有三種，分別是傳導、對流和輻射，下面就一起去看看熱量傳輸的基本概念吧！

熱量傳輸機制是什么

空氣

能量的流動有三種方式：傳導、對流和輻射。雖然它們的表現方式不同，但熱量傳輸的所有三種方式是同時起作用的。而且，這些過程可以在太陽和地球之間、在地表和大氣之間與外空之間傳輸熱量。

傳導

無論是誰，當他試圖從沸騰的湯鍋中拿取金屬勺子時都會感覺到整個湯勺在放出熱量。熱量以這種方式傳輸就稱為傳導。熱湯使湯勺的另一端分子振動得更快。這些振動得更快的分子和自由電子與湯勺柄中及其周圍的其他分子的碰撞更為活躍。因此，傳導就是通過電子和分子的彼此碰撞而傳輸熱量。不同物質的熱傳導能力差別相當大，金屬是良好的導熱體，比如我們碰到熱湯勺就立刻能感覺到。而空氣是很差的熱的傳導體，因此，只有在離地面很近的空氣層中，傳導才是重要的熱傳輸方式。所以，就大氣總的熱量傳輸方式而言，傳導是最不重要的，往往在考慮大多數氣象現象時都可以忽略。

像空氣這樣熱的不良導體稱為絕熱體。大多數物體都是良好的絕熱體，例如軟木塞、塑料薄膜或鵝絨等都含有許多小的空氣泡，而空氣的不良導熱性使得這些材料具有絕熱作用。雪也是不良導熱體(好的絕熱體),與其他絕熱體一樣，雪中也含有大量的空氣泡阻止熱量流動，這也是為什么野生動物躲進雪窟里避寒。雪就像羽絨服一樣，并不能供給熱量，但可以阻止動物身體熱量的損失。

對流

地球大氣和海洋中的熱量傳輸大多數是由對流引起的。對流是指與物質的實際運動或環流有關的熱量輸送。對流發生在可流動的流體中(液體的水和氣體，如空氣)。放在篝火上加熱的水鍋可以說明簡單對流的性質?；鸺訜徨伒牡撞?，鍋底將熱量傳給鍋中的水。因為水是不良導熱體，所以只有接近鍋底的水才會被加熱，加熱使這里的水膨脹而密度變小，所以鍋底附近被加熱而變輕的水上升，與此同時上面較冷和密度較大的水下沉。這樣只要在鍋底加熱而水表面附近冷卻，那么就會持續這種冷熱水的“翻轉”現象而產生對流環流。

類似的，大氣最底層的空氣會通過地面輻射和熱傳導加熱后被輸送到較高的大氣層中。例如，在炎熱的晴天，被砍伐過的空地上的空氣比周圍林地上的空氣受到更強的加熱，則空地上受熱的空氣上升，同時周圍較冷的空氣填充上升空氣留下的空間,這樣就形成了對流環流。上升的暖氣塊稱為上升暖氣流，滑翔機駕駛員正是利用這一原理讓飛機上升飛行。這種對流不僅可以向上輸送熱量還可以向上輸送水汽。炎熱的夏天午后常?？梢钥吹皆屏康脑黾?，這就是因為對流引起的水汽上升所造成的。

在更大的尺度上，就是由地球表面不均勻加熱引起的全球大氣對流環流，這些復雜的對流環流運動對炎熱的赤道地區和寒冷的極地地區之間的熱量進行重新分布。

大氣環流是由垂直方向和水平方向的分量組成的，因此會同時有垂直和水平方向的熱量輸送。氣象學家通常將與上升和下降熱量輸送有關大氣環流部分稱為對流，而把對流的水平流動部分稱為平流(平流通俗的說法就是“風”,關于風我們會在后面的章節詳細探討)。居住在中緯度地區的人們常常會感受到平流輸送熱量的作用，例如，1月份的美國中西部受到加拿大寒冷空氣的侵襲而帶來極其寒冷的冬季天氣。

輻射

熱量傳輸的第三種機制是輻射。與傳導和對流不同，輻射是唯一可以通過完全真空的空間傳送熱量的方式，因此太陽能量可以以輻射的形式到達地球。

太陽輻射

太陽是驅動天氣現象形成的根本的能量來源。我們知道太陽放出光和熱量，而且太陽光線可以產生皮膚色素沉積。雖然這些能量的形式是整個太陽輻射出的總能量的主要組成部分，但它們只是輻射或電磁輻射能大家族中的一部分。所有的輻射形式，無論X射線、無線電波還是熱波，都以30萬千米/秒的速度在真空中傳播，因而這一速度也稱為光速。為了形象化，可以把輻射能傳輸想象成在平靜的池塘里投入一枚石子產生的漣漪。像在池塘里產生的波一樣，電磁波也有不同的大小或波長——從一個波峰到另一個波峰的距離。無線電波的波長最長，最大可達幾十千米;最短的是伽馬射線，不到百萬分之一厘米;可見光波長大致在這個范圍的中間。

空氣

輻射常?？梢酝ㄟ^其作用于某個物體所產生的效應來識別。例如，我們的視網膜對可見光的波長比較敏感，通常把可見光稱為白光是因為它顯現出來的顏色是“白”色。但很容易證明，白色光實際上是各種顏色的組合，每種顏色都對應一個特定的波長。使用棱鏡可以將白光分成為彩虹的顏色，即從最短波長0.4微米(μm)(1微米等于百萬分之一米)的紫色光到最長波長為0.7微米的紅光。緊挨著紅光的波長較長的是紅外線輻射，人的眼睛看不見紅外線但可以通過熱量測出來。由于只有紅外線是光譜中有足夠強度、距可見光部分最近的可以作為熱量能感覺到的輻射，所以也稱為近紅外。在可見光譜的另一端是緊挨著紫色光放出的能量稱為紫外輻射，這一部分波長的輻射可能使皮膚曬黑。

雖然我們將輻射能按照自己的感覺來分類，實際上所有輻射的波長都有相似的行為特性。當物體吸收任何形式的電磁輻射時，電磁波都會激發亞原子粒子(電子),其結果是分子運動增加而使溫度升高。因此，來自太陽的電磁波穿過宇宙空間直到被吸收就會增加其他物體中的分子運動-包括組成大氣的氣體分子、地球的陸地-海洋表面和人體等。

所有各種輻射能量波長最重要的差別就是，波長越短能量越強。這主要是基于這樣一個事實，即相對于較長波長輻射而言，相對較短波長的紫外電磁波更容易損傷人體組織，這種損傷可能引起皮膚癌和白內障。值得注意的是，雖然太陽放出所有波長的輻射，但在不同波長的輻射量是不同的。大約占太陽輻射95%以上的能量是在波長0.1～2.5微米，而這其中的大部分又集中在電磁譜的可見光和近紅外波長范圍內，約占總放射能量的43%。其他剩余部分能量位于紅外波段(49%)和紫外線(UV)波段(7%),大約不到1%的太陽輻射以X射線、伽馬射線和無線電波的形式放射出來。

輻射定律

為了更好地理解太陽輻射能與地球大氣和?！懕砻娴南嗷プ饔?，需要對基本的輻射定律有個大概了解。雖然這些定律超出了本書的范疇，但這些概念是認識輻射的基礎。

所有物體都在某個波長范圍持續地放射能量。所以，不僅像太陽這樣熱的物體放出能量，地球甚至極地的冰蓋也放出能量。

(2)較熱的物體單位面積上輻射出的能量要比較冷的物體輻射出的能量多。太陽表面溫度是6000K,其單位面積輻射出的能量是表面平均溫度只有288K的地球的16萬倍(這一定律稱為斯蒂芬—波爾茨曼定律)。

(3)較熱的物體以短波的形式比較冷的物體放出更多的輻射能。我們可以形象地用一塊加熱的金屬塊來解釋這一定律，當金屬塊被充分加熱時(如在鐵匠鋪里)會發出白光，但隨著金屬塊的冷卻，就會以較長的波長放出能量并變成紅色，慢慢就沒有光了，但這時你如果用手靠近金屬塊，仍會感覺到以紅外輻射的放出的熱量。而地球放出的最大輻射波長是10微米，屬于紅外(熱)輻射波長范圍。因為地球最大輻射的波長約為太陽最大輻射波長的20倍，所以通常將地球輻射稱為長波輻射，太陽輻射稱為短波輻射(這一概念稱為維恩位移定律。

(4)良好的輻射吸收體也是良好的輻射放射體。地球表面和太陽都是幾乎完全的輻射體，它們可以幾乎百分之百地吸收和放射輻射;相反地球大氣中的各種氣體則是選擇性地吸收和放出輻射。對某些波長而言大氣幾乎是透明的(很少有輻射被吸收),而對其他波長大氣又幾乎是不透明的(吸收絕大部分輻射)。經驗告訴我們，大氣對太陽發出的可見光是相當透明的，因而太陽光很容易到達地面。

概括地講，雖然太陽是最主要的輻射能量來源，但所有物體都在特定的波長范圍放出輻射能，像太陽這樣的熱物體主要放出短波輻射(高能量);相反，大多數物體是在常溫下(地球表面和海洋)放出長波輻射(低能量)。像地球這樣的好的吸收體同時也是好的放射體，相對而言，大多數氣體只有在某些特定波長才是好的吸收(放射)體，而在其他波長則是差的吸收體。

熱量傳輸的基本概念

熱傳導(導熱)：這是固體中熱量傳遞的主要方式，熱傳導依賴于物質內部分子的振動、位移和相互碰撞，在氣體、液體和固體中都可以發生，但傳遞機理不同，例如，在固體中，熱量可以通過晶格振動和自由電子遷移來傳遞。

熱對流：這是發生在流體(液體或氣體)中的熱量傳遞方式，由于流體的宏觀運動，冷熱流體相互摻混而發生熱量傳遞，對流必然伴隨導熱，根據流體與壁面傳熱過程中流體物態是否發生變化，對流傳熱可以分為無相變和有相變兩種類型。

熱輻射：這是物體通過電磁波來傳遞能量的方式，與溫度相關的輻射能稱為熱輻射，自然界中，物體不停地向空間發出熱輻射，同時也吸收其他物體發出的熱輻射。

此外，熱量傳遞的方向性是始終從高溫區域向低溫區域進行。