热能的传输

1.1.3　热能的传输

物体内部或物体之间存在温差（temperature difference）时可引起热能传递。传热的基本方式有传导（conduct）、对流（convection）、辐射（radiation）3种方式（图1.2）。

1.1.3.1　传导

不同温度的物体，由于物质的分子、原子运动而引起热能的传递，并从高温区向低温区传递，称为传导。

1.1.3.2　对流

对流是流体（气体、液体）中热传递（heat transfer）的主要形式。流体中温度不均匀性所引起的压力或密度差异的各部分之间发生相对位移时所引起的热能传递的过程，称为对流。

图1.2　人体热能传输与环境温度影响的关系

1.1.3.3　辐射

凡是温度高于绝对零度（－273℃）的任何物体均可向外界发射出各种波长的电磁波，其能量称为红外辐射能（infrared radiation）。辐射能不需要任何物体作为介质，可在真空中传播。辐射传热的特性，符合上述红外辐射定律。当辐射能通过空气传播时会出现衰减，主要是由于空气中的水蒸气、二氧化碳（CO₂）的吸收，以及空气中的分子、悬浮微粒散射造成的。

1.1.3.4　人体的热能传递

人体的热能传递包括了上述传导、对流、辐射，同时加上蒸发，共4种形式。前两种为人体内部热能到体表的主要传递方式，其中以传导为主，后两种为体表向周围环境传递的方式，主要以辐射为主，热能由体内到体表，再由体表以红外辐射的形式被红外热成像仪器接收。

（1）传导散热（thermal conduction）　是指机体的热能直接传给与之接触的温度较低物体的一种散热方式。经这种方式发散的热能取决于皮肤温度与接触物体之间的温度差、接触面积，以及与皮肤接触的物体的导热性能等。空气的导热性较小，在空气中通过直接传导散热的量极小。棉、毛织物也是热的不良导体，所以体热因传导而散失热能的量并不多。另外，人体脂肪的导热效能也较小，因而肥胖的人身体深部的热能不易传向表层，在炎热的天气里容易出汗，影响传导散热。

（2）对流散热（thermal convection）　是指通过气体流动进行热能交换的一种散热方式。通过对流散失热能的多少，除取决于皮肤与周围环境之间的温度差和机体的有效散热面积外，受风速的影响较大。风速越大，散热的量就越多;相反，风速越小，散热的量也越少。衣服遮盖皮肤表面，加之棉毛纤维间的空气不易流动，这些因素都可使对流难以实现而有利于保温。

（3）辐射散热（thermal radiation）　是指人体以热辐射线的形式将体热传给外界较冷物质的一种散热方式。人体在21℃的环境中，在裸体情况下，约有60%的热能是通过辐射方式发散的。辐射散热的量主要取决于皮肤与周围环境之间的温度差，当皮肤温度高于环境温度时，温度差越大，散热的量就越多;反之，若环境温度高于皮肤温度，则机体不仅不能散热，反将吸收周围环境中的热能。此外，辐射散热还取决于机体的有效散热面积，有效散热面积越大，散热的量就越多。由于四肢的体表面积较大，因而在辐射散热中起重要作用。

（4）蒸发散热（evaporative cooling）　是水分从体表汽化时吸收热能而散发体热的一种方式。在正常体温（body temperature）条件下，蒸发水分可使机体散发2.43kJ的热量。因此，体表水分的蒸发是一种十分有效的散热形式。当环境温度等于或高于皮肤温度时，蒸发将成为唯一有效的散热形式（图1.2）。蒸发散热有被动蒸发（是指体液的水分从皮肤和黏膜表面不断渗出而被汽化的形式）和主动蒸发（是指汗腺主动分泌汗液的过程）两种形式。目前对环境温度控制比较容易做到，体表的汗液与水分一般是蒸发散热的过程，对红外热成像采图也会有一定影响，因此，检查时需要注意保持体表干燥、没有汗渍、不能涂抹润肤品等。

上述几种物理方式散失的热能，与环境温度、空气密度、环境压力、流速密切相关。尤其应该注意的是体表与环境间温度的差，不但决定着散热量，而且决定着热传递的方向。体表温度（surface temperature）的高低是机体产热与散热受到一系列生理调节的结果（图1.3）。前两种为人体内部热能到体表的主要传递方式，其中以传导为主;后两种为体表向周围环境传递的方式，其中以辐射为主。热能在形成一种稳定状态后可被红外热成像仪器接收。

图1.3　决定皮肤温度的各种因素与热成像的关系