握装热水的杯子,等手适应了温度后不会感觉烫,此时转动一下杯子为什么会感觉杯子很烫?

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03.28.2015 Update
物理角度的解释请参考樊玉峤学姐的解释,

03.21.2015 Update
本文仅从生理学角度试图解决问题。热传导导致的降温应该也是原因之一,期待相关人士解答。
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因为手上的温度感受器是”时相性感受器“,主要感受的就是变化。

人体内感受器主要有三种,紧张性感受器 (Slow adapting receptors, 也称作tonic receptors) 和 时相性感受器 (Rapidly adapting receptors, 也称作phasic receptors),也有混合类 (Phasic-tonic receptor)

如图,左侧为紧张性感受器,右侧为时相性感受器。 粉色线是刺激强度,绿色线是感受器的反应。

同样的刺激,两种感受器的反应,截然不同。紧张性感受器在刺激存在的时候,会一直做出反应(向下传递信息)。而时相性感受器,在刺激开始时做出反应,而后迅速适应,在刺激结束适应的时候也会做出反应。


回到问题
在手握热水的时候,温度感受器会相对快速的适应这个”相同刺激“,但是稍稍转下杯子,会一定程度上改变刺激,重新激活了这个温度感受器。

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除了温度感受器还有什么感受器是时相性的呢?
举个小例子

盯着中间的圆心,聚精会神的盯。20秒之后,就会发现粉色的小圆不见了。没错,视觉感受器也会快速适应相同的刺激。很多视觉感受器都是时相性或者混合型。(这也就是为什么想吸引人注意力要举手打招呼---给予新的刺激,激活感受器) 可能有人会有问题,为什么我们看到的世界没有突然消失什么东西呢, 因为眼睛会不停的进行微小的转动,时刻刷新刺激,以免错过重要信息。

可能又会有知友好奇了,什么感受器是紧张性,不能快速适应呢? 最常见的例子是痛觉感受器 。疼痛虽然难捱,但是一定程度上减少了伤口再被触动的可能,加快了愈合速度。紧张性的疼痛感受器,在”危害“一直存在的时候,会一直传送信息,直到脱离危险为止。 (更多关于疼痛的生理知识请见 痛了之后揉一揉会不会减弱痛的感觉? - Jack Wang 的回答)

时相性感受器有什么优势呢?它极大地提高了”交流的效率“。举个不太恰当的例子---天气预报。对一个相同的信息(多伦多3.1-3.31都是零度以下),”时相性“播报员会说多伦多这一个月都是零度以下,而”紧张性“播报员则会这么说,3.1号,加拿大多伦多,零度以下,3.2,加拿大多伦多,零度以下..........3.31 加拿大多伦多,零度以下....

时相性感受器和紧张性感受器一起工作,为我们描绘了这个大千世界。给他们点个赞。

从传热学的角度解答一下这个问题。-update2015.3.27晚9:30

感谢知友@林某某 @范罗本 @东岳流体 的提醒,现补充一部分内容,让答案更完整&合理。

此问题涉及的不仅是温度,还有传热学的另一个基本概念:热流密度,英文简写q。大家普遍认为人体感知的是温度,但是根据我在香港科技大学课题组所学,人体感知的是热流密度。

接下来通俗地讲一下热流密度q,科普后再解释手握热水杯的问题就会很清晰。学过传热的孩纸请自动跳过科普段落。

传热学和电学有互通之处。热流密度q和电流I是可以类比的,而温度差T可类比为电压U(电压稍专业点叫电势差)。大伙都知道电流I=电压U/电阻R,因此在纯导热的情况下,注意,仅仅导热(煎蛋时锅的热量传给蛋),热流密度q=温度差T/热阻r。(ps,这并不是准确的热流密度的定义式,只是为了通俗地讲解热流密度这个概念)类比地看,电阻R大则电流I小、不易导电;热阻r大则热流密度q小、不易导热。

生活中热阻r最大的东西是真空,所以保温杯和开水壶的内胆和杯/壶身之间会抽真空。空气的r小于真空,但是也灰常大,所以买羽绒服时售货员会提示顾客羽绒服要悬挂在衣柜里并且不要折叠压扁它,因为保持羽绒服的蓬松才能做到羽绒间有足够的空气。空气多则羽绒服热阻r大,则q小,因此哪怕零下几度时穿着羽绒服,也能保证36.5度的体温。

另外,温度差T=0时,q=0,这种状态称之为“热平衡”,就是两个物体(或一个物体的两个部分)温度相同,则“感受不到”导热了。

传热学的三大领域中,除了导热,还有对流换热。对流换热是包含导热的。打个比方,冬天,站在野地里,“好冷!”(身体的热向环境“导”出),一阵风吹过来(空气对流),“冷死老子了!”(热量不仅被导出,更被风“换”走了)。这个过程中无论有没有风,人都在散热;一旦有风,有对流,散热会散地更厉害,所以更冷。假设没有风时的热流密度是q1,有风时是q2,q2>q1,热流密度越大,换热越强,人体的感知就越明显。

普遍而言,对流换热的传热效果远强于导热。因此,U盘在电脑上用久了接口变烫,拔下来降温的最好方式,不是用手捏着它或者放着等它变凉(导热),而是猛甩几下U盘(对流换热,甩大力一点的话U盘接口立马就变凉了)。

科普结束,开始解释问题。把握一个核心:人体感知的不是温度,而是热流密度q。另外,空气的导热能力很差。

1. 握装热水的杯子:(机理)导热过程。

手和杯子的温度差T很大,热流密度q很大。人的感知:烫!

2. 手适应了温度:(机理)导热过程进行到热平衡状态。

温度差T=0,热流密度q=0。人的感知:不烫了耶~

3.转动一下杯子:(机理1)对流换热

(因为杯子里的水在转动杯子时流动了!就和空气流动会形成风的过程一样)。对流换热传热效果远强于导热,q增大。人的感知:又烫啦!

(机理2)空气的导热能力很差。

杯子被手握住的部分(假设是杯壁A)向外传热的热阻主要是“手”,热阻小,易于导热,温度低。而没有被手握住的部分(假设是杯壁B)向外传热的热阻是空气,空气的热阻大,导热能力差,则B的温度会高于A。所以不仅是转动一下杯子会觉得烫,哪怕不转动杯子,把手立刻换到B也会觉得烫。

PS如果两只手分别握住杯子的A面和B面,习惯了后交换,就会发现换了后也不烫啦。

解答完毕。

知乎首答,啰嗦了一堆又update了一堆。评论里第一条是知友@袁霖 说我的解答“棒呆通俗逗比”。So谢谢你!希望今后我对其它问题的回答都是棒呆通俗逗比的^0^

为什么?