在真空中，唯一的传热方式是热辐射。与其他形式的传热不同，辐射不需要介质来传播。这与太阳的热量穿过广阔的真空空间到达地球，使其变暖的基本过程相同。
传导和对流依赖于粒子的相互作用和运动，而热辐射是一种电磁能量形式。它以波的形式传播，不需要任何物理介质，使其成为热量在真空中移动的唯一方式。
为什么传导和对流在真空中会失效
要理解为什么辐射是唯一的方法，我们必须首先阐明为什么其他两种方法在空旷空间中是不可能的。传热的根本是将热能从较热的物体转移到较冷的物体。
传导的机制
传导是通过直接分子接触进行的热传递。可以将其想象成一个链式反应，振动的粒子撞击相邻的粒子，传递能量。
这个过程在固体中占主导地位。要发生传导，粒子必须足够接近才能相互作用。在真空中几乎完全没有粒子的情况下，没有东西可以“传导”热量。
对流的机制
对流是通过流体（液体或气体）的整体运动进行的热传递。当流体的一部分被加热时，它通常会变得密度较小并上升，而较冷、密度较大的流体则下沉以取代其位置。
这种运动产生了循环热量的对流电流。由于真空，根据定义，不包含任何流体，因此不可能有电流来传输热量。
热辐射如何在真空中独特地工作
热辐射与传导和对流根本不同。它不是物质的转移，而是能量本身的转移。
热量作为电磁波
所有温度高于绝对零度（-273.15°C 或 0 开尔文）的物质都会以电磁辐射的形式发出其热能。对于我们遇到的大多数物体，这种能量处于光谱的红外部分。
这些电磁波是一种纯能量形式，就像可见光、无线电波或X射线一样。
不需要介质
因为热辐射是一种电磁能量形式，它可以穿过太空的真空。它的传播不依赖于粒子。
太阳是这一原理的最终例子。它通过近乎完美的太空真空，从9300万英里外加热地球，证明了这种能量传输形式不需要介质。
理解辐射的关键因素
并非所有物体都以相同的效率辐射或吸收热量。辐射传热的效率受两个主要因素控制。
温度的关键作用
物体辐射的能量量与其温度密切相关。斯特凡-玻尔兹曼定律是热力学的一个基本原理，它指出辐射的总能量与其绝对温度的四次方成正比。
这意味着温度的微小升高会导致辐射热量的大幅增加。一个温度翻倍的物体会辐射出十六倍的能量。
表面特性影响
物体的表面特性——其颜色、纹理和材料——决定了其发射率（辐射能量的能力）和吸收率（吸收能量的能力）。
深色、无光泽的表面是优良的辐射吸收体和发射体。相反，浅色、光滑和有光泽的表面是较差的吸收体和发射体，因为它们会反射大部分辐射。
实际应用和权衡
在真空环境中操纵这些原理对于工程至关重要。
保温瓶的设计
保温瓶，或杜瓦瓶，是热管理方面的杰作。它由两个容器组成，中间有一个真空间隙。
真空层有效地阻止了通过传导和对流进行的热传递。这个间隙的内外表面都镀银且高度反射，这大大减少了通过辐射进行的热传递。
航天器中的热管理
卫星一侧暴露在太阳的强烈辐射下，另一侧则暴露在深空的极端寒冷中。
工程师使用多层绝缘材料（MLI）——薄而高反射的薄片——来充当高性能保温瓶，保护敏感部件免受太阳辐射。为了散发船载电子设备产生的热量，他们使用专用的散热板，这些散热板具有深色、高发射率的表面，指向寒冷的太空，以有效地辐射热量。
如何将其应用于您的目标
您在真空中管理热量的策略完全取决于您是需要保留热量还是散发热量。
- 如果您的主要重点是绝缘（保持物体热或冷）：您的最佳策略是使用高反射、低发射率的表面，以最大限度地减少辐射传热。
- 如果您的主要重点是冷却（散发热量）：您必须使用深色、无光泽、高发射率的表面，以最大限度地将热量从物体中辐射出去。
- 如果您的主要重点是加热（吸收能量）：您的物体应具有面向热源的深色、高吸收率表面，以尽可能多地捕获辐射能量。
理解辐射是热量穿越虚空的方式是物理学的基石，它解释了从保温瓶到遥远恒星的温暖的一切。
总结表：
| 传热方式 | 是否需要介质？ | 机制 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 传导 | 是（固体/液体） | 直接分子接触 | 加热金属棒 |
| 对流 | 是（流体/气体） | 流体的整体运动 | 烧开水 |
| 辐射 | 否 | 电磁波 | 太阳温暖地球 |
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