玻璃的功能

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玻璃的功能

* s! ]: i; `/ ?5 d0 Z% J北方城镇的有些建筑物的窗户是双层的，即窗户上装两层厚度为 的玻璃夹着一层厚度为 的空气，如左图所示，据说这样做是为了保暖，即减少室内向室外的热量流失.
8 `. d2 x: q- {# d8 J! `我们要建立一个模型来描述热量通过窗户的热传导（即流失）过程，并将双层玻璃窗与用同样多材料做成的单层玻璃窗（如右图，玻璃厚度为 ）的热量传导进行对比，对双层玻璃窗能够减少多少热量损失给出定量分析结果.

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" c9 x) z4 p; x/ i: t# {一、        模型假设
1.        热量的传播过程只有传导，没有对流.即假定窗户的密封性能很好，两层玻璃之间的空气是不流动的；
: K4 ~2 B% }8 ^* X2.        室内温度 和室外温度 保持不变，热传导过程已处于稳定状态，即沿热传导方向，单位时间通过单位面积的热量是常数；
9 P1 C( K; s( a# I' U7 O( f  o3.        玻璃材料均匀，热传导系数是常数.

3 O( X6 l; ~5 K$ i4 P+ R  z二、        符号说明
      ——室内温度
      ——室外温度
5 P, ]' }% @$ @( p      ——单层玻璃厚度
      ——两层玻璃之间的空气厚度
      ——内层玻璃的外侧温度
      ——外层玻璃的内侧温度
3 }6 i+ h0 {* p: B) f3 R      ——热传导系数
/ U  W( }4 Y* Q# [7 o4 M1 c      ——热量损失
三、        模型建立与求解
; o- q* p2 ^+ @% J3 R# O由物理学知道，在上述假设下，热传导过程遵从下面的物理规律：
厚度为 的均匀介质，两侧温度差为 ，则单位时间由温度高的一侧向温度低的一侧通过单位面积的热量为 ，与 成正比，与 成反比，即
                        （1）
其中 为热传导系数.
% k% X3 \. R7 Z* I) f    1. 双层玻璃的热量流失
记双层窗内窗玻璃的外侧温度为 ，外层玻璃的内侧温度为 ，玻璃的热传导系数为 ，空气的热传导系数为 ，由（1）式单位时间单位面积的热量传导（热量流失）为：
            （2）
. O  z/ |9 }: K9 a' s由 及 可得
! r& S) C6 F6 `7 F. @; x8 \再代入 就将（2）中 、 消去，变形可得：
             （3）
; _* K. l' T( t4 t7 U/ t' j' e
2. 单层玻璃的热量流失
# `  f4 \( y' f$ o) v2 F对于厚度为 的单层玻璃窗户，容易写出热量流失为：            
                               （4）
* ~( i  N' E  ~) Z; w- z
3.        单层玻璃窗和双层玻璃窗热量流失比较
4 ~+ i  P9 o# ^& G比较（3）（4）有：                 （5）
6 ^7 u  H" |4 W; T+ n0 W显然， .
为了获得更具体的结果，我们需要 的数据，从有关资料可知，不流通、干燥空气的热传导系数 （J/cm.s.ºC），常用玻璃的热传导系数 （J/cm.s.ºC），于是
               
1 h/ n7 c" @- Y" r* y# z; y" S) X& G4 c在分析双层玻璃窗比单层玻璃窗可减少多少热量损失时，我们作最保守的估计，即取 ，由（3）（5）可得：
                                （6）
# Z6 Y5 \" e3 A' B& H! P. \4. 模型讨论
比值 反映了双层玻璃窗在减少热量损失上的功效，它只与 有关，下图给出了 的曲线，当 由0增加时， 迅速下降，而当 超过一定值（比如 ）后 下降缓慢，可见 不宜选得过大.
5 I, ?2 |  q* q+ h* K. C6 ?
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四、模型的应用
: @/ h& g$ w2 e* c  e0 j    这个模型具有一定的应用价值.制作双层玻璃窗虽然工艺复杂会增加一些费用，但它减少的热量损失却是相当可观的.通常，建筑规范要求 .按照这个模型， ，即双层玻璃窗比用同样多的玻璃材料制成的单层窗节约热量97%左右.不难发现，之所以有如此高的功效主要是由于层间空气的极低的热传导系数 ，而这要求空气是干燥、不流通的.作为模型假设的这个条件在实际环境下当然不可能完全满足，所以实际上双层玻璃窗的功效会比上述结果差一些.
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