瑞立 熱對流 文/白晝不想睡覺 |2025.05.20 語音朗讀 415觀看次 字級 大 中 小 圖/樹下繪本圖/樹下繪本圖/樹下繪本 文/白晝不想睡覺 去夜市看到炸杏鮑菇的攤位時,常常會看到一旁有一鍋加熱到一、兩百度的食用油。仔細觀察,熱油似乎是從幾個固定的地方噴湧而出,然後在某處下沉。這時如果你撒了把粉末進這鍋油時(當然請不要在夜市這麼做),你會發現這些粉末確實會在固定地方上升、下沉,形成一個很像「細胞」狀的結構,而這種現象就被稱為「瑞立熱對流(Rayleigh-Bénard convection)」。密度改變 來自浮力這個現象最初是被瑞立(Rayleigh)在20世紀初時發現並解釋,他推論這種熱對流是來自於「浮力」,當液體的熱傳導不夠快速,使得下面加熱處與上方表面處溫差大到一定程度時,下方液體就會因為「熱膨脹」使得密度下降,液體開始上升;上方則會因為密度較大的關係下沉。而這種對流會對一開始的細微條件非常敏感。一但受熱不均,使得特定區域溫度較高時,對流就會在那個地方先啟動,構成細胞的中心。這個浮力的解釋乍聽之下相當合理,可惜卻有個理論上的小毛病,就是對流總是在「實際溫差」比「理論溫差」還要小的情況就發生了。這代表必然還有其他效應會影響到這個熱對流。1958年,皮爾森(Pearson)發表一篇重磅級的論文,說明除了浮力以外,「表面張力」也是影響這個現象的主因之一。在空氣與液體交界的表面存在表面張力,而當溫度較高時,表面張力就會變小;溫度較低時,表面張力就會變大。因此表面張力比較小的地方,很容易就會被較大的地方「拉開」了,構成了細胞的中心處。而細胞中心因為液體減少了,因此下方的液體就會自然而然的上升了。差距巨大 混亂現象 在真實世界中,事實上是兩個效應共同作用造成了瑞立熱對流。這是個可以在家做的小實驗:準備一小盆油,均勻攪入一些粉末後(筆者實測矽油加珠光粉效果最佳),在底部加熱後即可以觀察到這個現象。但是如果你真的去嘗試的話,就會發現每一次做的時候,細胞的圖形與分配都會不一樣,而這就是前文有暗示的「微小誤差造成的結果巨大差異」。一但液體中某些部分受熱較快,就會導致在那個地方的對流先啟動。這個「較快」很可能是短至一秒以內的事情,筆者用紅銅板與均溫加熱台,在幾乎完全一模一樣的環境下,卻也做出了截然不同的結果。在自然界中,對這種初始條件(initial condition)相當敏感(sensitive)的現象,稱作混亂(chaos)。科學界,尤其是流體動力學目前最常在研究的,就是這種混亂的現象。而這種瑞立熱對流就是一種生活中最常見的混亂之一! 前一篇文章 【徵稿啟事】 下一篇文章 流體動力學生活魔法 熱門新聞 01美商白皮書 台半導體、AI有缺電風險2025.06.1102星雲大師全集【講演集】佛教與生活(二)3-22025.06.1103男子僅穿泳褲埋雪中2小時 破紀錄2025.06.1104【斗室有燈】千鈞一髮的瞬間2025.06.1305生態攝影師 拍到真實版雀躍不已2025.06.1106社論--文化交流應予鼓勵2025.06.1107健走暨毛寶貝祝福禮 西方寺打造和諧社區2025.06.1108拉拉山 拚暗空公園認證2025.06.1309南區佛光三好家庭日 走向綠森活2025.06.1110離線俱樂部 回歸真實人生 2025.06.15 訂閱電子報 台北市 天氣預報 台灣一週天氣預報 相關報導 清香涼草知多少?萬用植物 薄荷銀河系就是宇宙嗎?宇宙 究竟有多大?生活裡也有布雷斯悖論道路愈修交通愈堵?