牛顿冷却定律.pdf

牛顿冷却定律.pdf 牛顿冷却定律是牛顿在1701年用实验确定的，是传热学的基本定律之一，用于计算对流热量的多少。该定律表明，温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间从单位面积散失的热量与温度差成正比，比例系数称为热传递系数。 牛顿冷却定律的数学表达式为dT/dt=-k(T-C)，其中，dT/dt是物体的冷却速率，k是常数，T是物体的温度，C是周围环境的温度。通过对该方程的积分，可以得到T=C+(T0-C)e^(-kt)，其中T0是物体的初温。 牛顿冷却定律推导出来，在忽略表面积以及外部介质性质和温度的变化，物体温度变化是越来越慢的。但是，这定律也存在一些限制，例如只能在强制对流时与实际符合较好，在自然对流时只在温度差不太大时才成立。 在对牛顿冷却定律的研究中，一名坦桑尼亚学生姆潘巴发现了牛顿冷却定律的缺陷。他在高中时就观察到热牛奶在电冰箱中的冷却速度比冷牛奶快得多，这与牛顿冷却定律的预测相矛盾。姆潘巴的观察结果引起了物理教师的质疑，但他坚持自己的观察结果，认为牛顿冷却定律可能需要修正。 后来，姆潘巴邀请了坦桑尼亚最高学府达累斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯波恩博士来研究这个问题。奥斯波恩博士亲自动手观察了热牛奶在电冰箱中的冷却过程，并发表了一篇论文，介绍了热牛奶在电冰箱中先行冻结的现象。论文的主要内容是：把牛奶换成水以后再进行观察，发现电冰箱中的热水仍在冷水之前冻结成冰；热水放入电冰箱冷却时，水的上表面（S）与底部（B）之间存在着显著的温度差。 在论文中，奥斯波恩博士还解释了热牛奶先冻结的原因：冷却的快慢不是由液体的平均温度决定的，而是由液体上表面与底部的温度差决定的，热牛奶急剧冷却时，这种温度差较大，而且在整个冻结前的降温过程中，热牛奶的温度差一直大于冷牛奶的温度差。上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。基于以上两方面的理由，热牛奶以更高的速度冷却着，这便是热牛奶先冻结的秘密。 牛顿冷却定律是一个重要的物理定律，但它也存在一些限制和缺陷。姆潘巴的观察结果和奥斯波恩博士的研究结果为我们提供了一个新的视角来看待牛顿冷却定律，并提醒我们在研究物理现象时需要更加细致和谨慎。