玻璃的功能

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玻璃的功能
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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.
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.


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；
9 J/ R4 |3 ^2 p3 R. s2.        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 E; `% g2 L0 e( O1 d0 i5 S3.        玻璃材料均匀，热传导系数是常数.

二、        符号说明
      ——室内温度
      ——室外温度
      ——单层玻璃厚度
* @7 Z) y+ p- l* e      ——两层玻璃之间的空气厚度
0 N( U4 h: {9 Q( S6 k      ——内层玻璃的外侧温度
/ T. W8 z3 l% ?2 A; X4 m      ——外层玻璃的内侧温度
      ——热传导系数
      ——热量损失
2 p9 P. O; B. H; Z0 q三、        模型建立与求解
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：
& x( B& b: a# F( s5 z6 i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.
    1. 双层玻璃的热量流失
" Z" |3 l* q1 ?" q- m- n4 K* N& d, ^6 H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：
' D" H' r; Q0 Q1 ?" m' A            （2）
$ U! ?$ y$ W/ j- W由 及 可得
再代入 就将（2）中 、 消去，变形可得：
' a; Z+ X, }5 i7 C; b1 ?             （3）

2. 单层玻璃的热量流失
对于厚度为 的单层玻璃窗户，容易写出热量流失为：            
                               （4）
" Z3 b8 A1 D# N7 [" L" l
3.        单层玻璃窗和双层玻璃窗热量流失比较
比较（3）（4）有：                 （5）
/ P/ u' e( O) |5 e2 z5 R显然， .
, F3 F, M7 y% h, ^" S7 F# }; C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
2 ?2 [" j- W5 F! _5 |) E; `/ ?8 G               
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）
4 E2 F- r) \. Y; ^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.

# o1 j- y! L! y5 a4 i
$ n& l3 X% A5 J, q
四、模型的应用
* E. B% L4 K- G- V3 f5 ?; g+ y( n* d    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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