科学瞎想系列之六十九 数九寒天话取暖

三九四九冰上走,数九寒天是一年中最寒冷的日子,特别是今年,南方大部分地区都下了大雪,这可冻坏了没有暖气的南方宝宝!其实今年最苦B的还不是南方,而是河北的宝宝们,原因大家都懂的。无论南方还是河北,所有挨冻的宝宝们,各显神通使出了浑身解数,电暖气、暖手宝、空调等等各种取暖设施齐上阵,只为在这数九寒天里得到那一丝温暖。问题来了,一看电表,蹦字飞快,白华华的银子随之而去,尽管房间温度起来了,但宝宝们的小心脏啊!拔凉拔凉的!如何才能省钱又暖和?今天老师就从一年四季说起,说说这数九寒天为嘛这么冷,再给宝宝们讲讲各种取暖用具的原理和省钱的方法。

1 一年为嘛有四季。

要了解这些,需先说说我们居住的地球以及地球所处的太阳系。在浩瀚的宇宙中,存在着无数个星系,太阳系就是其中一个,在太阳系这个大家族中,位于中心的恒星是太阳这个大家长,在太阳周围有九颗行星兄弟被太阳公公无形的大手“牵着”(万有引力吸引着),围绕着它打转转,我们称之为公转,宝宝们生活的地球就是九颗行星中的一个,距太阳的距离由近及远地球排行老三。太阳公公除了每天牵着九兄弟转圈玩耍,还每天燃烧自己,给九兄弟送去光和热,让它们享受着温暖的阳光。宝宝们平时适应的温度范围,满打满算也就是八九十度的温差,超过这个范围,宝宝们就会感到极端不适,而八九十度的温差对浩瀚无垠的宇宙,简直就相当于一个恒温箱,从这方面讲,其实宝宝们还是非常脆弱的!

值得庆幸的是,在九兄弟中排行老三的地球得到了特别的眷顾,正是它离太阳不远不近恰恰好的距离,使得地球上的温度不冷不热,刚刚好适合宝宝们舒坦地生活,幸福不?幸福!幸福的事儿还远不只于此,地球除了围着太阳公转,还自娱自乐地自转,每天和太阳公公玩躲猫猫,时而面朝太阳接受阳光普照;时而背过脸去让背面的宝宝们睡一大觉,不让刺眼的阳光打搅甜美的梦乡。正是地球的自转才使得地球上有了白天和黑夜。

接下来才是重点,地球自转的轴线并不垂直于公转平面,而是歪的,也就是说如果把地球看做一个大西瓜,沿地球肚子的中心线(赤道)拦腰切开,分为南北两个半球,则剖切面并不与公转平面重合,而是偏了一个角度,这个大约为23.5°,想不明白的宝宝可以找个地球仪看看,地球仪的轴线就是歪的。有了这个角度,问题就来了,当地球公转处于不同的位置时,阳光照射到地球表面的角度就不同,如果把太阳和地球的中心连成一条直线,那么这条直线与地球表面的交点叫做太阳直射点,如果宝宝站在直射点上,太阳公公就会在你的头顶正上方,地下就不会有你的影子。

知道了这些知识,我们就说说为什么地球上会有一年四季。地球绕太阳一年公转一圈,随着地球绕太阳公转,阳光的直射点会在地球南北半球的分界线(赤道)附近上下波动,于是产生了“前后左右”四个特殊位置,地球公转到太阳的最“左”边时,阳光直射点达到最北端,随着地球自转,这个最北端的直射点会在地球表面画一个圈,这个圈称为北回归线,这一天北半球由于受到太阳的直射,白天时间最长,夜晚时间最短,接受的阳光最充足,这一天在北极附近一个大圈圈里,整天太阳不会落山,全是白天,称之为极昼现象,这个大圈圈叫做北极圈,这一天就是传说中的夏至,同样在夏至这一天,南半球的宝宝们就没有那么灿烂了,他们看到的是低矮阳光的斜射,而且时间很短就会淹没在漫长的黑夜中,整个南半球这一天接受的阳光最少,在南极附近的一个大圈圈里会全天看不到阳光,处于漫长的极夜之中!同理,当地球公转到太阳的最“右”端时,称为冬至,这一天太阳直射南回归线,北半球白天最短,夜晚最长,阳光最少,南半球则正相反;除了这两个极端日子,还有两个让宝宝们向往的特殊日子,那就是地球公转到太阳的最“前”方和最“后”方的日子,分别叫秋分和春分,这两天太阳公公直射地球肚皮的正中间(赤道),这两天对南北半球的宝宝们最公平,大家平均分配阳光,而且白天和夜晚的时间也相等。上述春分、夏至、秋分、冬至四个关键日子构成了一年四季的中心,以此四天为中心将一年划分为四个季节,即为春夏秋冬。

2 为嘛数九天最冷。接下来宝宝们可能会问了,既然冬至那一天北半球接受的阳光最少,那为什么不是那一天最冷,而是三九四九冰上走呢?原来气温的高低除了与接受的阳光多少有关,还与地球向外散发的热量有关。我们知道,地球上的物质吸收太阳辐射的能量后,会把热量储存起来,特别是在我们生活的地球表面,被大量的海水覆盖,这些海水就像个非常非常大的储热器,它在夏季温暖的阳光下,把大量热量储存起来,以备寒冷时再释放出来,从而调节着地球的温度,冬至时节,虽然阳光最少,但以往储存的热量还有“库存”,会逐步释放,只要一天中总的散热量大于总的吸热量,那么气温就会持续走低,直到再过个把月,储存的“余热”全部耗光,无热可散了,吸热量才会大于散热量,温度才会开始逐步回升,而此时就是气温最低的时候,这冬至后的个把月时间也正好就是我们常说的三九四九。由此可见,由于地球物质的“积热”效应,使得气温的变化总是滞后与季节的变化。同样道理,一年中最热的日子也不是夏至,而是夏至后的三伏天。

3 数九天用嘛取暖最划算。宝宝们常用的取暖设施从原理上来讲,可分为两大类,一是直热式,一是移热式。所谓直热式,是将其它形式的能源直接转化成热能,释放到室内,此类取暖设施包括火炉、电暖气等各种电热装置等;所谓移热式,就是通过中间介质实现乾坤大挪移,把其它地方(室外)的热量搬到室内,此类设施最典型的就是空调。我们就以这两类取暖设施中各具代表性的电暖气和空调来说说用哪种东东取暖划算。对于电暖气,是直接将电能转化成热能为房间取暖,它所转化的热量最多就是从电源所吸收的电能,不可能再多,也就是说任何能量转化装置的转化效率都不会大于100%;再说说空调,空调工作时也会从电源吸收能量,但它吸收的能量是用来对制冷剂压缩,以便把室外的热量搬到室内,也可以说是把室内的冷搬到室外,因此空调对室内叫制热,对室外叫制冷。无论是制冷还是制热,宝宝们可以看看空调的铭牌上都有一个重要的参数,叫做效能比,所谓效能比就是它实现的制冷(或制热)效果与所耗能量的比,这个效能比通常是大于1的,一般会达到3以上,也就是说空调产生的制冷量(或制热量)要比其本身消耗的电能多出几倍,这是由空调的工作原理所决定的。

设空调消耗的电能为W,所搬移的热量(或“冷量”)为Q,那么对室外来讲,空调就实现了制冷,其制冷的效能比COP=Q/W,国家标准规定空调的COP不得低于3。对于室内来讲,空调实现了制热,由于空调在工作中所消耗的电能绝大部分也都转化成热能随室外搬进来的热量一起释放到了室内,因此对室内制热的效能比EER=(W+Q)/W,可见空调的制热效能比不仅大于1,而且比制冷还要高效,通常空调制热效能比可达到4以上。也就是说掏同样多的电费,用空调取暖比用电暖气取暖会得到四倍以上的热量,也可以说达到同样的取暖效果,用空调的所掏的电费只有用电暖气的四分之一!宝宝们想想这节能效果不菲吧!节约了那么多电费怎么办?还用说吗!还不赶紧给老师打赏!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2018-01-24

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