狐裘与锦衾的物理

冬至到，马上“连冬起九”，真正的冬天开始了。

冬天，北风呼啸，寒风刺骨。过去有一句俗语：“冷在风里，穷在债里”。冷是一种感觉，人把热量传给外界，自身温度下降，就感到冷。上面那句俗语就是说，人在风里待着，感觉最为寒冷。

人生活在环境中，一刻不停与外界环境进行热量的传递。在自然的状态下，热量总是从温度高的物体流向温度低的物体。人是恒温动物，人的体温一般都保持在37℃左右，只要外界温度低于人的体温，人就总会净失去热量。与外界接触的是人的皮肤或粘膜，首先失去热量的当然也是皮肤（或粘膜）。当皮肤温度下降到一定的程度，我们就感觉到冷。

中学的教科书就告诉我们，热量的传递有三种途径：辐射、对流和传导。我们要保暖，也就是避免失去太多的热量，当然就要从这三个方面入手。

热量是一种能量。这三种传热的方式，其物理实质只是两种。一种传递能量的方式是通过变化着的电场和磁场，这就是电磁波。热量的辐射就是电磁波的辐射。

另一种是通过原子等“实物”粒子的传递，将一些原子的振动能等机械能传递给另一些原子。对流是流体（气体或液体，在我们这个问题里主要是气体）中的原子或分子相互碰撞，传递能量。传导是固体中原子间的传递能量或者固体表面原子与流体（这里主要是气体）原子或分子碰撞传递能量。

先看辐射。有人一听辐射就有点紧张，辐射出来什么？当然是电磁波。这种电磁波与微波炉、电磁炉、WIFI、手机、CT、紫外线等一样，都是电磁波，只不过频率不同罢了。这种电磁波的频率比电磁炉、微波炉、手机、WIFI等的频率高，比可见光、紫外线和CT所用的X射线的频率低，这就是红外线。

所有上述这些电磁波，按波长大小排列，无线电波（长波、中波、短波）、微波（手机辐射、WIFI等）、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线，都是变化着的电场和磁场。它们都有波粒两重性，即既有波动性又有粒子性。

这些波（射线）之间的不同，从波动性方面说，就是波长的不同（也就是频率的不同，波长与频率是反比的关系）。波长较长（频率较低）的表现为波动性更明显，所以往往称之为波，如无线电波、微波等。波长较短（频率较大）的，粒子性更明显，往往称射线，如X射线、伽马射线。红外线、可见光（光线）和紫外线处在中间，所以有的时候也称红外波、光波、紫外波。

由质子、中子、电子等组成的实物，都在不断地发射电磁波。辐射出电磁波的种类和多少，与物体的温度有关，温度越高，发射出高频的电磁波越多，像太阳，辐射出来的X射线、紫外线、可见光就比较多。烧红的铁丝发出的红光随着温度的下降而暗淡，后来不发光，但还觉得热，那是还有红外线，最后凉了，发出红外线也少了。我们人体的温度只有37℃，其辐射也主要是红外线。

如今在小区、超市、学校的门口都会有保安用“红外测温枪”给我们测温。那个“枪”实际上只是一个接收器，我们把手伸给“测温枪”，手上辐射出去的红外线被测温枪接收到了。我们的体温不同，发射出去的红外线的频率分布也不同，经过测量、放大，计算出来的温度数据也不同。所以那杆“枪”只相当于“照相机”，照相机接收的是可见光，而测温枪接收的是红外线。

同样，士兵所用的夜视仪也是利用了红外线。夜间，可见光很暗淡了，人们看不清楚。在黑咕隆咚看不清楚的情况下，人总有些胆怯，过去我们利用敌人的胆怯，进行夜战，消灭敌人。但是，如今有了夜视仪情况就不同了，到了夜间，我们的身体仍然在发出红外线，在夜视仪下，我们的一举一动能够被看到清清楚楚。如果敌人有夜视仪而我们没有，那就很糟糕了。

我们为了保暖，要尽可能少辐射出红外线。这个任务看起来不难，似乎只需要穿上衣服。皮肤上辐射出来的红外线就能够被衣服挡住。但是，衣服单薄了还是不行。衣服的内层吸收了皮肤发出的红外线，组成衣服的纤维分子振动加剧，温度升高，传导给外层，外层还是会因辐射出红外线而使温度下降。所以，还是要避免将热量从衣服内层传递到衣服外层。当然，衣服内层直接接触皮肤，皮肤上的热量也会直接传导给衣服，这就是热量的传导问题了。

上面已经说过，热量的传导是通过原子之间的碰撞或者广义地说是通过原子间距离的变化来传递的。

所谓温度较高的物质，就是其原子振动比较剧烈，原子的剧烈振动会传递给邻近的原子。

显然，靠得很近的原子或者说结合得比较紧密的原子之间振动的传导最容易。金属晶体中的原子相互靠得近，在一定的意义上说，金属原子是“紧挨”着的。所以，金属一般都是热量的良好的导体，它传递热量很快，人们没有用金属来做保温用衣服的。

用以保温的衣服一般都是有机纤维，它们是有机化合物，由分子构成。从原子、分子的尺度上看，纤维之间往往保持相当的距离。从一根纤维的分子中原子的振动要直接传递到另一根纤维上的原子是困难的。如果要传递，一般需要纤维之间的气体分子做媒介。

气体分子之间总要很大的距离，不然就不是气体了。在宏观上的纤维之间传递热量，往往还有多个气体分子之间的碰撞、“接力”。这样，能量的传递就不是像紧挨着的原子那样高效，所以，我们常常说空气是热的不良导体。更进一步说，在这种情况下，如果没有空气分子做导热的媒介，热的传导就不能进行。这也是保温瓶胆都是双层的，而层间都必须抽“空”的道理。

纤维越细，纤维之间的空隙就越大，导热也就越困难。所以在织物之间絮上疏松的纤维，就是保温良好的最好办法之一。在植物纤维中，棉花是非常细长的，所以我们可以用棉衣来御寒。动物纤维，如蚕丝、羊绒、驼绒都是非常好的保温材料，所以我们有丝绵棉袄、羊绒棉袄和驼绒棉袄。而鸟类需要在空中飞翔，它需要有很轻的羽毛，也就是说，羽毛中间有大量的微空，它的绒毛更疏松，往往有更好的保暖性能，所以我们穿羽绒服。

但是，我们仅有很疏松的纤维还是不够的，因为我们的环境并不是静止的。我们需要运动，同时，空气也在运动，这就是风。

空气的运动，引起热量的对流。流体的对流，使得流体分子迅速混合。所以对流是热量流动很快的形式。一盆热水和一盆凉水倒在一起，热量在一刹那间就传递均匀了。

如果冷风吹进了细纤维之间的空隙，也能够很快地进行热交换。这样，由细纤维组成的防止热量流失的屏障一下子也就消失殆尽。我们应当避免冷风直接吹进纤维中间，这样，我们的衣服就需要有一个挡风的面料。羽绒服的面料一般都很致密，一方面要防止羽绒“钻”出来，另一方面也是为了挡风。

我们的古人很早就把动物的毛皮作为防寒的衣服。毛中间有许多空隙，而皮则可以严严实实地挡风。为了更好地保暖，人们在做皮袄的时候，一般都把皮放外面，再吊上面子，而把毛放在里面，这样，外边的皮挡风，里面的毛更保暖。当然，太太们穿的皮草除外，对于她们，实际上并不需要特别的防风，而更重要的是炫耀出皮毛的漂亮和高档。

大风能够从各种缝隙钻进衣服里，又能够迅速带走热量，“冷在风里”，确实是有道理的。

如果周围的环境特别潮湿，有机纤维之间空气的湿度太大，也就是说，纤维空隙中的水分子太多，这些水分子传热的“本领”更好，而且有些细的纤维会黏在一起，它们传递热量的效率就会高许多。这样，衣服的保温性能就会大幅度下降。南方的湿度大，在同样的温度下穿同样的衣服，它将比干燥的北方显得更冷。如果衣服都湿了，那就更无法保暖了。古人的诗句“散入珠帘湿罗幕，狐裘不暖锦衾薄”，也是说明了湿度加大，使人感觉更冷的道理。所以，为了保暖，人们务必保持衣服的干燥。

上面所说的御寒办法，都是人类从实践中得到的，当然也可以从物理学的理论上加以解释。这些办法尽可能防止了热量通过辐射和原子碰撞两种不同两种途径的流失。

如果我们防护得好，而且从头到脚都作了很好的防护，那么，即使在冰天雪地大风严寒之中，我们身体表面的温度虽然仍然接近37℃，但是衣服外面的温度可以很低，说明热量通过衣服流失得很少。这样，在漆黑的夜晚，在红外夜视镜下能够看清楚的，只是我们的脸部的轮廓，以及呼出的气体。

能够看到呼出的气体，是因为有一种热量的流失是不可避免的，那就是我们的呼吸。我们必须吸进外面的冷空气，冷空气经过鼻腔、气管和肺，与这些器官的粘膜做热量交换，最后呼出体外，这种热量的损失谁也避免不了。