停在陽光下的車內,為什麼會比外面熱上20度以上?
― 只把車窗開一點縫,根本追不上熱度
外面氣溫明明只有30度,一打開車門,卻有熱烘烘的空氣撲面而來。那不是錯覺。車內是一個太陽能量只進不出的空間。而且原因並不是車子特別,而是玻璃這種材料本身的性質使然。
只是去買個東西,把車停在陽光下15分鐘。回來打開車門,裡面的空氣熱得讓人喘不過氣。方向盤燙得幾乎沒辦法用手直接握住。
奇怪的是,站在外面的自己卻沒事。明明曬著同一個太陽,車內卻像變成了另一個世界。
常聽人說「把車窗留一點縫就沒事」。但只要了解原理,就會發現這個方法為什麼不太有效。
原因大致只有兩個
來自太陽的光會直接穿過玻璃,被座椅和方向盤吸收。這些變熱的物體接著會發出熱輻射,但這種光卻無法穿透玻璃。換句話說,只有入口,沒有出口。
在外面不覺得熱,是因為風會把身體周圍變熱的空氣帶走。在密閉的車內,空氣幾乎不流動。變熱的空氣就這樣停留原地,熱量不斷累積。
這兩點都朝著同一個方向作用:「熱容易進來,卻很難出去」。所以差距才會持續擴大。我們依序來看看。
玻璃在「去」與「回」時態度不同
太陽光和溫熱物體發出的熱輻射,其實是同類。兩者都是稱為電磁波的波,差別只在波長。
太陽表面據信約有6000度。從那裡發出的光是波長較短的光,大部分是可見光和鄰近的近紅外線。玻璃很容易讓這種短波光穿過,所以我們才能看見窗外的景色,陽光也才能照進車內。
另一方面,吸收了光而升溫到40度、60度的座椅和儀表板,也會發光。只不過因為溫度較低,發出的是波長長得多的紅外線。玻璃幾乎不讓這種長波紅外線通過,而是把它吸收下來。請看圖1。去程暢行無阻,回程卻被擋住。同樣一片玻璃,會依光的波長不同而改變態度。
「把車窗開一點縫」為什麼沒想像中有效
這裡第二個原因就發揮作用了。把熱排出車外的方法,其實不只有發光這一種。只要把變熱的空氣本身換掉,熱量也能被帶走。外面的人不覺得熱,就是因為風負責了這個工作。
然而車內的空氣是被封閉起來的。只開幾公分的窗縫,能交換的空氣量非常有限。而且變熱的空氣會變輕,貼著車頂聚集,下方的熱氣因此更難流動。汽車相關團體做過的實驗也指出,光是把車窗開一點縫,車內溫度並不會明顯下降。
盛夏晴天停在陽光下的車輛,車內溫度據信可能超過50度,儀表板表面甚至逼近70度。就算不是盛夏、外氣溫只有25度到30度的日子,車內超過40度也不罕見。「今天沒那麼熱」的感覺,在車內並不可靠。
玻璃或塑膠布「讓短波穿過、擋住長波」的性質,正是溫室之所以溫暖的原因。包覆地球的二氧化碳和水蒸氣,也扮演著類似的角色。車內發生的現象,是整個地球正在發生之事的一個極小又極快的縮影。
黑色塗裝很會吸光,所以車身本身會變熱。不過從窗戶進來的光在車內轉為熱能的部分,跟顏色無關,一樣會發生。顏色有影響,但換個顏色並不代表就安心了。
那麼,該怎麼辦才好?
最重要的事,其實從原理就能自然導出。既然這是一個熱只進不出的空間,就不該把人或動物留在裡面。
- 不要一個人留在車裡等就算只是「馬上就回來」的幾分鐘,車內溫度也會持續上升。時間再短也要一起下車。
- 選陰涼處停車,並放遮陽板光進不來,車內就不會轉成熱。擋風玻璃的遮陽板,就是堵住入口的工具。
- 上車前把所有窗戶全開,讓空氣流通不是開縫,而是全開,先把累積的熱空氣趕出去再上車。
如果對方全身無力、沒有流汗、對呼喚反應遲鈍,可能是熱中暑已經惡化。請立刻撥打119,並將人移到陰涼處或有冷氣的地方。冰敷頸部、腋下、鼠蹊部,可以有效冷卻流經粗大血管的血液。如果對方意識不清或無法自行喝水,切勿強行灌水。年幼的孩童和年長者有時不會主動說出身體不適,請經常主動詢問確認。在救護車抵達前的處置,請遵照消防或當地政府的指示進行。
總結
車內會變熱,與其說是因為太陽很強,不如說是因為玻璃「去程放行、回程擋下」。再加上「空氣不流通」,就形成了一個熱只增不減的空間。窗縫效果不彰、遮陽板卻有效,都能用同一個原理來解釋。
車內會熱,不是因為進來的熱量特別多。
而是因為進來的熱,出不去。
身體裡會發生什麼事,寫在熱中暑為什麼會攸關性命?這篇文章裡。「不是消滅熱,而是搬運熱」這個觀點,和冰箱為什麼會讓房間變暖?也是相通的。
- 找個晴天,準備一個透明有蓋的空容器,和一個沒有蓋子的同款容器,並排放在陽光下。20分鐘後,用手比較一下兩者裡面空氣的溫度。有蓋子的那個,明顯熱得多。
- 接著,在有蓋容器上蓋一張白紙製造陰影,再等20分鐘。你會發現,不讓光線進來,比起有沒有蓋子更有效果。
- 上車前,先把窗戶全開等1分鐘,再把手伸進去感受一下車內的空氣。光是換氣,體感就會有很大的不同。
為了避免燙傷,請不要長時間徒手觸摸變熱的金屬或玻璃。實驗請盡量縮短時間,天氣炎熱時請在陰涼處進行。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目,明確標示各段落的程度
- 國中國中理化課學到的範圍
- 高中高中「物理基礎・物理」學到的範圍
- 高中+高中的進階內容,或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目(傳熱工程・輻射傳熱)的內容
- 研究中連大學也還沒當作「定論」教授,是研究者目前正在探討的內容
國中用語:這個現象是有名字的
- 溫室效應:如果有一種圍罩,讓短波光穿過、卻擋住長波光,內部溫度就會上升的現象。無論是車內、溫室,還是整個地球,都用同一個名稱來稱呼。
- 輻射(熱輻射):物體依自身溫度發出光、藉此傳遞熱量的方式。就算沒有接觸,熱也能傳過去,原因就在這裡。
- 對流:變熱的空氣或水本身移動,藉此傳遞熱量。在有風的戶外運作良好,但在密閉車內幾乎不起作用。
- 比熱:讓某物升溫1度所需的熱量。空氣很輕,所以只要一點點熱量,溫度就會大幅上升。
國中高中用公式驗證:車內空氣升溫的速度有多快
只考慮車內空氣,假設太陽的能量全都用來加熱空氣,來估算升溫1度需要多久。實際上還有加熱座椅、鐵板的部分,以及散失到外面的部分,所以這只是「速度上限」的估算。
| 晴天時地面接收的日照強度 | 每平方公尺約1000瓦 |
| 光線進入的窗戶及玻璃面積(小型車估計值) | 約3平方公尺 |
| 車內空氣的體積(小型車估計值) | 約3立方公尺 |
| 每立方公尺空氣的重量 | 約1.2公斤 |
| 讓1公斤空氣升溫1度所需的熱量 | 約1000焦耳 |
| 車輛接收到的光能功率(瓦) | 1000 × 3 = 3000 |
| 車內空氣重量(公斤) | 3 × 1.2 = 3.6 |
| 讓整體空氣升溫1度所需熱量(焦耳) | 3.6 × 1000 = 3600 |
| 升溫1度所需時間(秒) | 3600 ÷ 3000 = 1.2 |
與其看符號,不如看單位,會更容易理解。瓦特是「每秒消耗多少焦耳」的單位。所以焦耳除以瓦特,得到的就是秒數。單看空氣的話,僅需1秒多一點就會升溫1度。實際情況會慢得多,因為熱量會被座椅、鐵板吸收,也會逐漸散失到外面。但方向不變:溫度會持續上升,不會停下來。
高中高中+為什麼溫度會改變光的波長
高中物體會依自身溫度發出對應的光,溫度愈高,發出的光波長愈短。太陽表面約6000度,發出的光集中在可見光附近。60度的座椅發出的光,則明顯偏向波長更長的紅外線一側。
高中+已知物體發光的強度,與絕對溫度的4次方成正比。也就是說,絕對溫度變成2倍,發出的光就會變成16倍。車內愈熱,向外釋放熱量的力道也愈強,所以溫度不會無限上升,會在進入量與釋出量達到平衡時停下來。而這個上限溫度,比外界氣溫高出20度、30度,正是本文所談的內容。
大學玻璃窗會依波長開關
在傳熱工程中,會用一個表示材料依波長不同、能讓多少光穿透的量來處理這個現象。一般的平板玻璃,對可見光到近紅外線的穿透率較高,但波長一旦超過約4微米,幾乎就不再穿透。太陽光大部分屬於前者,常溫附近物體發出的光則大部分屬於後者。正是這個分界的偏移,構成了溫室效應的本質。唯有把輻射,加上透過車體的傳導,以及車內空氣的對流一併求解,才能真正預測出實際的車內溫度。
研究中目前尚未完全釐清的部分
- 車內溫度分布 車內上下、陽光側與陰影側的溫度差異很大,單純用平均值無法衡量危險程度。該測量哪個位置才能代表人體所承受的負擔,目前仍在研究中。
- 對幼小身體的影響 據信體型較小的孩童,體溫上升速度比大人快。但沒辦法用真人做實驗,測試多久、會危險到什麼程度。目前是用人偶或計算模型來推估,其精確度仍待驗證。
- 能反射熱的窗戶 只反射近紅外線的鍍膜技術正在發展中。但要讓可見光穿透多少、又能擋下多少熱,成本與效果之間的取捨,仍在改良之中。
也就是說,本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。數值會因條件不同而大幅變化,請當作參考數值來閱讀。
與教科書的關聯(依程度區分)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化:光的性質/熱的傳遞方式 | 玻璃讓光穿透、對流傳遞熱量 |
| 高中 | 物理基礎:熱與溫度/物理:電磁波 | 用比熱估算升溫幅度,以及波長的差異 |
| 高中+ | 物理:熱輻射(進階・專欄) | 溫度愈高波長愈短,以及4次方的關係 |
| 大學 | 傳熱工程・輻射傳熱/建築環境工程 | 穿透率依波長而異,以及輻射・傳導・對流的疊加 |
| 研究中 | 環境生理學・熱中暑預防研究 | 車內溫度分布,以及對幼小身體影響的推估 |
| ― | 與生活的關聯 | 使用遮陽板、上車前全開通風、不把人或動物留在車內 |
- 日本環境省 熱中症預防資訊網站(環境省 熱中症予防情報サイト)
- 日本環境省《熱中症環境保健手冊》(環境省『熱中症環境保健マニュアル』,症狀與急救處置章節)
- 日本自動車聯盟(日本自動車連盟)使用者測試「盛夏車內溫度」
- 日本氣象廳(気象庁)「日射・輻射觀測」及氣象觀測相關解說資料
- 日本機械學會(日本機械学会)《傳熱工程資料》(『伝熱工学資料』,輻射傳熱・材料光譜特性章節)
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為理解原理所用的參考估算值。車內溫度會依車型、顏色、天候、時段而有很大差異。若感覺身體不適,請遵照消防單位、地方政府或醫療機構的指示處理。