題:
為什麼我的手沒有被200°C的烤箱中的空氣灼傷？
InfZero
2017-01-29 00:50:28 UTC
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我從《大學物理學與現代物理學》（第13版）中遇到了這個問題：

烤箱內部溫度為200°C（392°F）。只要您不觸摸任何東西，就可以將手放在烤箱中而不會受傷。但是由於烤箱內的空氣溫度也為200°C，為什麼你的手不一樣地燃燒呢？

我從這個問題中了解到，我的手不會像空氣溫度那麼熱，但是我的第一個猜想是：空氣（即氣體）的本質是其分子比空氣更分散。那些固體。

我的推理對嗎？還是我需要更好地理解哪些熱力學概念來解決這個問題？

有趣的事實：這個問題類似於為什麼靜電放電通常不會傷害人，儘管它們的電壓很高。在這兩種情況下，都有很高的電勢（高溫或高壓），但是一旦與人體接觸，電勢就會迅速下降。最初的高電勢可確保部分能量被強制施加在人體上，但能量下降得太快而無法傳遞破壞性的能量。
我認為，提到家用桑拿房可以很容易地將溫度設置在90℃，並且人們每次坐在裡面15分鐘，就很好地證明了這個問題。在瘋狂的比賽中，溫度可能高達110攝氏度，持續時間為10分鐘，濕度明顯增加。最終，除非只有空氣很熱，否則輻射熱將煮到您的手，如果積極保持空氣溫度，則對流會煮到手。-https://en.wikipedia.org/wiki/Sauna#History-https://en.wikipedia.org/wiki/World_Sauna_Championships
如果要構建一個帶有手動門的定制烤箱門，將烤箱預熱至200度，打開門，然後迅速將手卡在門戶中，則將更快地燙手。（注意：實際上嘗試這樣做是不明智的）
同樣，如果您將手放在200度的對流烤箱中，則會很快被燒傷。
您的問題是“如果我的手放在烤箱中燃燒的時間不足，為什麼不燃燒呢？”當您以這種方式表達問題時，問題本身就會回答，不是嗎？
另外，空氣還不好，.....目前無法找到比* suck *更好的描述符，因為它可以在短時間內傳遞熱量？
十 答案:
user139175
2017-01-29 01:13:27 UTC
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與討論相關的兩點是：空氣本身攜帶的熱能非常少，並且導熱性很差。

關於第一點，我認為考慮乘積$ \ text {density} \ times \ text {specific heat} $很有趣，即每$ \可以傳輸的單位體積的能量文本{K} $溫差。就數量級而言，比熱大致可比，但空氣的密度比普通金屬的密度小10到3倍。這意味著對於給定的體積，可以存儲熱能的空氣“分子”要比固態金屬少得多，因此空氣的熱能要少得多，不足以引起危險的溫度升高。

能量傳遞到您的手上的速率，即熱量從其他物體（包括空氣）流到您的手上。在相同的時間和暴露的表面中，接觸空氣或固體物體會使您獲得的能量轉移的方式大不相同。要考慮的相關量是導熱率，即每單位時間，表面和溫度差所傳遞的能量。我添加了此內容以使他的評論更具可見性；我的原始答案如下。

空氣是一種非常差的熱導體，原因是當您猜想時，分子集中的程度較低，彼此之間的相互作用也較少（這不是很精確，但是在一般情況下，這種思維方式有效） 。相反，固體通常是更好的導體：這就是為什麼您不應該觸摸烤箱內部任何東西的原因。考慮到數量級，根據 Wikipedia，空氣的熱導率$ \ lesssim 10 ^ {-1} \ \ text {W /（m K）} $，而金屬至少兩個數量級。

我真的很感謝 Zephyr和化學工程師，他們為我帶來了深刻的見解，雖然差很多，但卻出人意料。

絕對正確的是它的導熱率。不僅僅是空氣不是固體，而是氣體。有堅固的[areogels]（https://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel），您可以在200度下拾取並處理。觸摸木頭可能會很快受傷，但是即使金屬短暫接觸也會灼傷您。與其說是相態，不如說是相態。是材料。
@ChemicalEngineer另一個缺失點是，一旦打開烤箱門，烤箱中的大部分熱空氣就會飛快地吹出，並被較密的室溫空氣代替。
@DavidRicherby這是一個很好的觀點，可能還可以添加其他一些答案。
@DavidRicherby:從反复在110度桑拿房中進行推斷，我不認為空氣散出並不是很多問題...
-1
@DavidRicherby:我想指出，雖然值得考慮，但由於合作證據的原因，它“不太可能”對該效果做出重大貢獻。弱，我知道。
_“即使金屬短暫接觸也會灼傷您。” _不一定。物質的數量至關重要。考慮一層覆蓋您烘烤的鋁箔。即使烤箱在200°C的溫度下放置了一個小時，您也可以將箔紙拉下，甚至將其弄碎，扔掉，然後，您會感覺到（只是，我的感覺）是短暫的熱感。是的，它是金屬，但不是很多金屬，因此存儲在其中的能量很低。另一個因素：您的肉主要是水，而水每升高一級溫度所消耗的能量比幾乎任何東西都要多。
無法從烤箱內部用空氣輕易灼傷手的原因是，打開烤箱後，熱空氣立即逸出並被冷空氣代替。新鮮空氣將不會在烤箱中花費足夠的時間來達到烤箱的設定點，因為它會上升並離開烤箱，而被更多的冷空氣代替。流過烤箱內部手部的空氣溫度將大大低於200度的設定點。
不斷供應新鮮，涼爽的空氣，通過敞開的烤箱循環，大大減少了通過傳導引起的灼傷威脅，而主要的灼傷威脅來自烤箱內部線圈的熱輻射。您是否容易遭受熱輻射灼傷手的風險取決於您將手放在何處以及烤箱是否設置為烘烤或烤製。
如果烤箱設置為烘烤，則它將僅運行底部線圈，並間歇運行以達到您的溫度設定點。像這樣間歇性地給線圈供電時，線圈主要通過傳導散發熱量，而很少通過輻射散發熱量。如果將烤箱設置為烤，它將連續運行頂部盤管，該盤管將通過輻射散發大量熱量（這是烤製的主要烹飪方法）。如果將手放在烤爐中，您將很有可能通過輻射快速燃燒自己。
如果鋁箔足夠，@JamieHanrahan鋁箔會灼傷您。您正在談論熱容量。我最喜歡的例子是問人們是否願意將桶或小玻璃杯的沸水倒在頭上。溫度是一樣的，這有什麼區別？熱容量。
@CandiedOrange當然可以，但是這就是為什麼我指定“一層覆蓋您的烤肉”的原因。（我的確從經驗上講過，包括“皺巴巴”。）並非全部。:)
Wrzlprmft
2017-01-29 21:02:19 UTC
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我的第一個猜測是：空氣（即氣體）的本質是其分子比固體的分子更分散。

是的，但是您可以再走幾步。分子的稀疏性有兩個關鍵的後果：

  • 熱容量低–因為幾乎沒有分子可以存儲動能。

    空氣的熱容約為$ 1 \，\ frac {\ text {J}} {\ text {gK}} $。假設您的烤箱是一個$ 40 \，\ text {cm} $立方體，那麼您的手將必須吸收

    的熱能。

    $$（0.4 \，\ text {m}）^ 3·1 \，\ frac {\ text {J}} {\ text {gK}}·（（200°\ text {C} -37°\ text {C}）·1.2 \ frac {\ text {kg}} {\ text {m} ^ 3} = 12.5 \，\ text {kJ} $$

    將空氣冷卻到您的體溫（$ 37°\ text {C} $）。固體的單位體積熱容量要高得多。例如，一塊鐵將必須重$ 186 \，\ text {g} $來存儲相同的能量（通過將體溫加熱到$ 200°\ text {C} $）；大約四湯匙。現在，在此溫度下觸摸湯匙會燒傷您，但熱量會集中到更小的體積。

  • 導熱係數低–因為分子之間的相互作用較少。但是，與固體相反，氣體允許對流，這在某種程度上減輕了這種影響。

    空氣的純熱導率（即無對流）約為$ 0.26 \ frac {\ text {W}} {\ text {mK}} $，而鐵的純導熱率約為$ 80 \ frac {\ text {W}} {\ text {mK}} $。通常，即使與其他固體相比，金屬也具有很高的導熱性。

    另一方面，對流是空氣中傳熱的主要貢獻，它更難以量化。

要灼傷手，您需要在短時間內向其傳遞大量熱量。為此，您既需要熱量，也需要傳遞熱量的方法。由於上述原因，一塊金屬比一定數量的空氣更適合於此目的。

以下日常經歷也是由於這些或類似的影響：

  • 如果您在室溫下裸身奔跑，那麼穿鞋或鋪地毯可能會嚴重影響您的舒適度-因為地板比地板上的空氣更能有效地排出體內的熱量。

  • 在室溫（及以下）下，金屬會感到寒冷-因為金屬從體內排出的熱量要比普通固體或空氣快。

  • 在夏天，接觸暴露在陽光下的金屬可能是個壞主意-因為它比周圍的空氣和大多數其他物體更快地將熱量傳遞到您的身體。

  • 從烤箱中觸摸烘焙紙沒問題-因為它的質量/體積/分子很小，因此不能存儲足夠的熱量來灼傷您的手。

另外，我猜想，到目前為止，將手伸入烤箱時占主導地位的傳熱機制將不會通過熱空氣傳導，而是會從烤箱壁發出的熱量進行傳導，即使是在家用烤箱中也是如此。幾瓦的傳導性傳熱實際上無法與數百瓦的輻射相提並論（當然，假設烤箱是用手在手的情況下關閉的，如果您將門保持打開狀態，效率可能會大大降低）。
@Luaan:我現在不能說通過輻射的熱量與通過空氣（對流和傳導）的熱量相比。但是，無論您是否觸摸物體，都會存在通過輻射的熱傳遞，因此與比較無關。另外，顯然這還不足以燙傷您的手。
提到“低熱容量”，然後比較空氣和鐵會產生誤導：空氣的單位質量熱容量是鐵的〜0.4，而鐵的是〜1！空氣的比熱容雖然只有鐵的1/3400，卻很低。
@klanomath:並猜想其中一個是相關數量（在典型應用中）。
-1
採取@klanomath:點；讓我*僅刪除*，無論如何，這對論點來說並不是必需的。我之所以提供這樣的數據，是因為對於大多數人（包括我自己）來說，重量是估計固體量的好方法，而氣體的量最好按體積（如果有的話）來傳達。
嗯，那麼烤箱裡的空氣要燒到手的溫度有多高？我的錢大約是800攝氏度。
@RaduMurzea:好吧，這取決於幾個因素：手應暴露多長時間？門關上了嗎？您究竟何時認為手被灼傷？無論如何，這是一個不同的問題。
總的來說，這是一個很好的答案，但是關於陽光下的金屬的答案是一個不佳的例子。金屬趨於直接吸收/保留更多來自太陽光線的熱量，特別是如果它是深色的像青銅雕像。我想如果您進行測試，您會發現實際上它的溫度要比植物或沙灘球高。
當然，@JimmyJames:吸收起作用，但是與其他吸收性材料相比，金屬甚至更差。首先要暴露在陽光下才能獲得足夠高的溫度。
我的觀點是，太陽下物體的溫度不同，這使解釋感到困惑，因為基於電導率和對流，相同溫度下的兩種物質會感覺如何變熱或變冷。許多人應該熟悉的最好的例子之一是，在寒冷的早晨，馬桶座圈比手巾冷得多。
@RaduMurzea:我知道您可以在短時間內將手放在烤箱中融化玻璃，而不會對您的手造成任何實際傷害，這是什麼？1500℃
user115350
2017-01-29 04:16:34 UTC
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您的手沒有被灼傷，因為它的溫度不是200攝氏度。如果您的手在那兒呆了很長時間，則會被燙傷（即溫度會很高）。因此，需要花費一些時間來加熱您的手。您可以考慮幾個因素。

主要傳熱幾乎是自由對流傳熱，傳熱速率低。它與熱導率有關，但並非如此。

您的手沒有乾但有水。當它加熱時，水蒸發。蒸發會吸收熱量並保護您的手。如果您的手是濕的，那將更加安全。

descheleschilder
2017-01-31 03:00:35 UTC
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效果與呆在空氣溫度為100攝氏度的干桑拿房中相同。只要保持姿勢，您就可以在桑拿浴室中停留相當長的時間，因為空氣是有害的熱量導體（將您的身體放在與桑拿浴室相同溫度下的金屬上幾乎會立即導致灼傷）。但是，一旦您要移動，就不能在桑拿房中呆太久，因為對流會傳導熱量，這很快就會使您發熱。嘗試將手移到烤箱中，然後感覺它們變熱的速度。

您可以在周圍很冷的空氣中看到相同的效果。如果沒有風，由於皮膚到周圍空氣的導熱係數低，您可以在冷空氣中保持相當長的時間（即使在大約負100度的空氣中）。但是，當您在暴風雨中漫步在冷空氣中時，風將使您不能在冷空氣中停留太久，因為對流會傳遞相同的熱量，這比起熱傳導，皮膚的冷卻速度要快得多單獨。

Paul92
2017-01-29 05:22:31 UTC
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烤箱運行幾分鐘後，烤箱及其內部的空氣達到目標溫度（假設為200°C，但可能會因設置而異）。但是，為了將手插入烤箱，必須打開門。當您打開門時，熱空氣會迅速排出。然後，烤箱內的空氣溫度不能接近200°C，因為空氣是不良的熱導體，並且會花費一些時間來加熱。由於您的門是開著的，當熱空氣上升並離開烤箱時，烤箱內部將充滿冷氣。當然，所有這些都假設您沒有把手放在裡面關閉烤箱門。

打開烤箱後立即離開烤箱的空氣確實具有200°C的溫度。但由於它會快速舉起，因此不能與您的手接觸超過一會兒。這是一種使空氣能夠將足夠的熱量傳遞給您的手的方式，通常會傷害您，但不要在家中嘗試。

這完全是正確的，但是（與我上面的其他評論相反），您忘記了與金屬和大多數固體相比，空氣熱動量的巨大差異。
這意味著，如果您以不讓熱空氣離開的方式將手伸入內部，則會（快速）灼傷您的手。這是真的？
@DennisJaheruddin如果熱風不散，您將被燙傷。當您煮肉時，基本上可以煮熟。問題（已多次指出）是空氣與手之間的熱傳遞不是最好的，因此幾秒鐘您可能會沒事，然後會被燒成不同程度，幾秒鐘後數十分鐘/小時，您將擁有一副完美的手。
masterwarrior123
2017-01-29 10:59:44 UTC
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空氣不是很好的導體。僅以您的蛋糕為例。如果空氣是熱的良導體，那麼您將吃黑蛋糕！

如果我在200攝氏度下烤一個蛋糕，到中間熟的時候，蛋糕可能會變黑。:-P
Dmitry Grigoryev
2017-02-02 21:10:29 UTC
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請注意，這種影響並非僅對空氣有效，但可以用任何導熱率低的材料觀察到。例如，這是一個剛從爐子裡拿出發光黃色（約900°C）的氣凝膠塊的傢伙：

enter image description here

（摘自此 youtube視頻）。

LLlAMnYP
2017-01-30 16:00:11 UTC
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除了給出的所有好的答案之外，未提及的一件事是，指針正在通過例如血液循環等方式進行主動冷卻（而且超頻者知道，液體冷卻在許多方面都比較出色）。這樣一來，手可能會無限期地停留在烤箱中，因為它具有人體剩餘的熱量來散發熱量。

我認為那不會很好。我想您的手仍然會因輻射而變得太熱。
@Jmac這取決於加熱元件。如果手正上方有一個紅色的熱電阻加熱器（通常是這種情況），其輻射將燃燒。另一種常見的方法是用風扇吹熱空氣。那可能很好。
即使是對流烤箱，也經常會暴露出靜止的元素。即使是單純的對流，他們也必須使空氣更熱才能烹飪，因此空氣仍可能燃燒。
-1
桑拿浴與強制對流不同。這是不應該做飯的免費對流。為了烹飪目的，烤箱被強制對流。延長曝光時間是一個壞主意。
血液不會帶走太多熱量。實際上，涼爽的室溫空氣流經烤箱會使您的手保持相對涼爽。
這是一個有趣的問題。如果以某種方式，您可以抽像地將您的手放在200度的立方體中，該立方體均勻地保持在200度（並且沒有其他影響，沒有輻射牆等）-實際上，您可以持續多久，“水冷”效果是否重要？我不知道。
-1
如果剩餘物質的溫度約為37攝氏度，@LLlAMnYP-How可以將熱量轉移到身體的剩餘物質中嗎？因為您的皮膚溫度高於37攝氏度？
@descheleschilder當然更好。問題是，考慮到烤箱中可能的條件範圍，隨著評論者提出來，問題究竟要大得多。
@LLlAMnYP-Doesn't您的身體在一段時間後由於攝入的熱量而變得過熱，從而引起大量發燒嗎？
@descheleschilder不，主體在烤箱外面，並且有很多方法可以消除多餘的熱量。
@LLlAMnYP-But這些機制（例如出汗）僅冷卻外部體溫。
@descheleschilder ...創建一個溫度梯度，使熱量從體內深處向外流動。我有一種感覺，您（認為您已經）在我的推理中發現了一個缺陷，並提出了使我意識到該缺陷的問題。但是我可能還有其他想法，所以看不到你在說什麼。你可以再詳細一點嗎？
@LLlAMnYP-Heat通過低空氣傳導傳遞到您的手上。當您的手的溫度達到一定溫度（高於27攝氏度）時，冷卻系統會將熱量從您的手上除去，冷卻系統又將熱量散佈到您的整個身體，溫度升高，因此，體內和皮膚增加，產生汗水，使您的身體涼爽。我現在知道的問題是，手吸收了多少熱量，汗液蒸發又釋放了多少熱量。在正常的廚房溫度下，我認為您是對的。好答案！
與發燒的人相比，烤箱中的手幾乎不會吸收熱量。在發燒的情況下，與將手放在烤箱中相比，您的身體受熱得多。而且您在烤箱中的手也會開始流汗，所以...
Pen
2017-02-01 19:27:15 UTC
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再走一步：想想同樣的實驗，但是現在烤箱中充滿了200°C的水蒸氣，而不是空氣。

水蒸氣的熱容和熱導率與空氣差不多。但是你仍然會被嚴重燒死！

區別在於水蒸氣會在您的手上凝結，釋放出潛熱。

因此，熱空氣不會燃燒您，因為它的熱容量小（它需要很少的熱量來大量改變溫度），因為它的熱導率很小（空氣不能很好地將熱量從烤箱壁傳導到您的烤箱）手），因為它不會在您的手接觸時改變狀態。

@DSuchet-Do是指“水蒸氣”蒸汽嗎？
是。但是請記住，蒸汽不是從茶壺流出的渾濁蒸汽，而是液態水滴。蒸汽像空氣一樣是隱形的。
空氣濕度很高嗎？
“空氣”主要是N2和O2的混合物，以及少量Ar和H2O。濕度是水蒸氣分壓與其在相同溫度下的飽和壓力之比。 當我說“充滿蒸汽”時，是指蒸汽壓力為1個大氣壓的蒸汽-即不剩下N2或O2。
Corbs
2017-02-01 15:07:09 UTC
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空氣的導熱性不足，無法在足夠短的時間內傳遞足夠的熱能，使空氣特別痛苦。嘗試將手臂放在該位置稍長一點，可能會變得有點鬆脆，無法滿足您的口味。


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