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如果我加热一根一米长的铁棒的一端,热量需要几秒钟才能到达另一端,而声音却只需几分之一秒。为什么会这样呢?

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    需要注意的是,声音在特定材料中的速度是恒定的,但热量的传递速度取决于温差。我猜想,只要施加足够大的温差,就可以使热量像声音一样快速移动 – 尽管铁棒在传递热量时可能会变成等离子体。
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最佳答案
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原因如下。

对于声音传播而言,固体中分子的振动指向同一方向,因此以声速在固体中以波的形式传播。

相反,热传递是扩散的——本体中所有分子的振动方向都是随机的,因此不会以相干波的形式在固体中传播。扩散传输在固体中本质上很慢——远低于声速。

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如果你击打一根杆的一端,你就会推动杆端的铁原子。原子之间的键就像坚硬的弹簧。推动一个原子会压缩弹簧并推动下一个原子。这个过程会持续到各个层。由于弹簧非常坚硬,所以一层和下一层之间的移动几乎没有时间延迟。声音的速度很高。

声脉冲通过后,原子会回到起始位置,其随机热运动几乎没有变化。这很像在池塘里扔石头。随着波的通过,水会以增加的能量旋转。但能量会随波传播。随着波的通过,原子会恢复正常。


原子围绕平衡位置随机振动。一个原子震动其邻近原子,邻近原子又震动其邻近原子。一个原子可以推、拉或侧向拉动其邻近原子。在任何给定时刻,一些原子具有更多能量,另一些原子则较少。能量高于平均水平的原子很可能会撞上能量较低的邻近原子。能量高于平均水平的原子很可能会损失能量,而邻近原子则会获得能量。在平衡状态下,所有原子平均振动的能量相等。温度处处相同。

原子与邻近原子之间的相互作用以声速发生。但这并不意味着来自高于平均水平的原子的能量会沿着原子碰巧推动的方向穿过杆传播。增加到原子上的能量取决于所有邻近原子如何推动或拉动它。它们可能会将能量添加到高能原子中。通常,高能原子的多余能量往往会在其邻近原子之间传播。如果其中一个邻近原子最终具有高能量,它通常会与所有邻近原子共享。杆中的能量路径是随机游走。

在平衡状态下,能量均匀地向各个方向流动。向左和向右流动的能量一样多。平均而言,能量不会流向任何地方。

如果将棒的一端与热物体接触,末端的原子会与振动能量更大的原子接触。这些原子比其较冷的邻居拥有更多能量可供分享。更多能量随机地向较冷的原子移动,而不是随机地向后移动。结果是热量以随机移动的速度沿棒向上传播。

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