保溫瓶為什麼可以
好幾個小時都不涼？
把同樣的熱水，分別倒進馬克杯和保溫瓶。馬克杯30分鐘就變溫了，保溫瓶就算放上半天還是燙的。這不是把熱「關起來」。熱逃走的路只有3條，而保溫瓶用3種不同的方法，分別把它們堵住。
想像一杯裝著熱茶的馬克杯。在它變涼的過程中，熱是往哪裡、怎麼跑出去的呢？
第一種。從接觸杯子的地方直接傳過去。拿著杯子會覺得手變熱，就是這個。
第二種。表面被加熱的空氣變輕往上跑，冷空氣則遞補進來。看得見的水蒸氣往上飄，就是這個現象。
第三種。這個看不見。熱的東西，就算沒有碰到，也會把熱放出去。把手伸向營火，就算不在下風處也會覺得熱，就是這個。
熱逃走的路，就只有這3條。所以只要把這3條都堵住，熱就出不去了。
熱要傳遞，需要有東西當媒介。真空裡什麼都沒有，既無法直接傳導，也沒有空氣可以流動搬運。第一條和第二條路，可以同時堵住。
第3條「看不見的熱」，就算在真空中也能傳遞。所以把壁面做成鏡子，把想要跑出去的熱用反射送回去。
保溫瓶裡面，就只有這兩招而已。是個設計得非常巧妙、卻很單純的工具。我們依序來看看。
真空，同時擋住兩條路
熱要直接傳導，需要有人接棒。金屬中的原子劇烈振動，會搖動旁邊的原子把熱傳過去。空氣裡也是分子互相碰撞來傳遞。
可是真空裡沒有可以接棒的對象。就像接力賽沒有跑者一樣。所以熱沒辦法直接傳導。
同樣的道理，空氣流動搬運熱這件事也做不到，因為根本沒有空氣可以搬運。
一個巧思，就能同時堵住兩條散熱的路。這就是使用真空的理由。
保暖衣物是靠把空氣關起來達到保暖效果。因為空氣不容易傳熱。
但是保溫瓶，連那些空氣都抽掉了。因為空氣只是「不容易傳熱」，不是「完全不傳熱」。要做到極致，什麼都沒有才是最好的。同樣是「隔熱」，追求的水準不同，答案也會不一樣。
第3條路，連真空都能穿過去
這就是保溫瓶巧妙的地方。「不接觸也放出的熱」，可以輕鬆穿過真空。
想想看太陽的熱能傳到地球這件事。外太空幾乎是真空，但我們在陽光下還是能感覺到溫暖。這種熱不需要傳遞的媒介。
所有物體都會依照自己的溫度放出熱。熱茶也不例外，一直不斷地把熱往周圍丟出去。光是抽成真空，這條路還是開著的。
所以保溫瓶會把內壁磨得像鏡子一樣。往裡面看會發現閃著銀光，那不是裝飾。
- 鏡子會把照到的熱反彈回去。想要跑出去的熱，被送回來了
- 鏡子本身也不太放出熱。拋光的金屬跟黑色表面相比，放出的量可以少到只有幾十分之一
黑色粗糙的表面很容易放熱，也很容易吸熱。鏡面則正好相反。保溫瓶內部是銀色的，就是為了利用這個特性。
保溫瓶把3條路分別堵住了。
就算如此，還是會慢慢變涼
保溫瓶並不是完美的。放個半天到一天，一定會變溫。因為還留著一個堵不住的地方。
那就是瓶口和瓶塞。這裡沒辦法做成真空。畢竟這是拿取內容物用的開口，這是理所當然的。
內層容器和外層容器，在瓶口附近是連在一起的。熱就是慢慢透過這條細細的瓶頸傳到外面去。要提升保溫瓶性能的許多巧思，大多都用在這個部位上。像是把瓶頸做細做長、使用不易傳熱的材料、讓瓶塞內部中空等等。
使用時的訣竅，也是從這裡來的。
- 先用熱水溫一下瓶子 ― 直接倒進冷的容器裡，會先被拿去加熱容器本身，浪費掉一些熱
- 裝滿一點 ― 裡面空氣層太多，熱就會在那裡流動
- 減少開關瓶蓋的次數 ― 每次打開，最大的漏洞就會出現一次
- 雙層玻璃窗 ― 用兩片玻璃夾住氣體。有些還加了肉眼看不見的薄金屬膜，這跟保溫瓶的鏡面扮演的角色完全一樣
- 太空望遠鏡的遮陽罩 ― 為了維持極低溫，會使用疊了好幾層薄膜的巨大遮熱板。層數越多，靠輻射傳遞的熱就越少
- 液態氮容器 ― 是保溫瓶的始祖。19世紀末，為了把氣體液化的實驗而發明出來的
- 太空衣、保暖用的毯子 ― 閃著銀光，是為了把身體放出的熱反射回來。救難用的保溫毯也是同樣的原理
- 真空隔熱材 ― 也用在冰箱的壁面和住宅上。雖然薄卻很有效，就是因為這個原理
在廚房就能確認的事
- 把相同分量、相同溫度的熱水，倒進3個容器：①普通馬克杯 ②馬克杯包上鋁箔紙並加蓋 ③保溫瓶
- 30分鐘後和60分鐘後，分別測量溫度（有料理用溫度計會比較準確）
- 看看②比①好多少。鋁箔和蓋子減少了輻射和對流
- 即使如此，應該還是比不上③。那個差距就是「真空」的效果
透過比較這3種容器，可以用數字看出各自堵住了哪些散熱路徑、堵了多少。光是②就已經有不小的差別，當作生活上的小訣竅也很實用。請注意燙傷風險，處理熱水時要格外小心。如果要跟孩子一起做，比較安全的做法是只讓他們負責讀溫度計。
總結
保溫瓶不會變涼，是因為用3種不同的方法，分別堵住了熱逃走的3條路。真空同時擋住「直接傳導」和「空氣搬運」，鏡面則把「不接觸也放出的熱」反彈回去。剩下的漏洞，就只有瓶口和瓶塞而已。
設計得好的工具，大多都很單純。
因為就只是把問題一個一個數出來，逐一堵住而已。
這裡提到的「不接觸也放出的熱」，在戶外究竟有多強，在 烤營火時，為什麼只有臉是熱的，背後卻還是冷的？ 中有詳細說明。
至於「熱」其實就是構成物質的微粒在振動這件事，在 搓手為什麼會變暖？ 中，從「運動如何變成振動」這個角度做了說明。
和保溫瓶壁面裡一樣的真空，在宇宙中一望無際地延伸。那裡究竟是不是個「寒冷的地方」，在 宇宙真的很冷嗎？ 中有確認過。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到研究中的話題，會標明是哪個程度的內容
- 國中國中理科會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或教科書中屬於進階、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）的內容
- 研究中即使在大學也不會當作「定論」來教，是研究人員目前正在調查的內容
國中用語：熱的傳遞方式
- 傳導：本文中的「直接傳導」。在物質內部，從一個微粒傳給下一個微粒。金屬很擅長，空氣則不擅長。
- 對流：本文中的「空氣流動搬運」。透過受熱的氣體或液體移動，把熱本身搬運過去。
- 輻射（熱輻射）：本文中的「不接觸也放出」。以電磁波的形式飛行，所以就算在真空中也能傳遞。太陽的熱能傳到地球，就是靠這個。
- 輻射率：表示放熱容易程度的比例。黑色粗糙的表面接近1，拋光過的金屬有時甚至不到0.05。
- 杜瓦瓶：保溫瓶的學術名稱。源自1892年為了低溫實驗而發明的緣故。
高中用公式來驗證：水壺裡的熱水，1小時會降多少度
抽成真空後，傳導和對流都會被擋住。剩下的只有輻射。而輻射有多少，是可以算出來的。
P ＝ ε σ A (T⁴ − T₀⁴)
| P 散熱的強度 | 單位是 W（每秒的 J） |
| ε 輻射率 | 0〜1之間。越接近鏡面越小 |
| σ 固定常數 | 5.67 × 10⁻⁸ |
| A 表面積 | 單位是 m² |
| T、T₀ 內外溫度 | 絕對溫度［K］＝ 攝氏 ＋ 273 |
這個公式裡有兩個關鍵。一個是4次方。溫度只要差一點點，散熱量就會差很多。另一個是 ε 是單純相乘的關係。把表面做成鏡面、降低 ε，散熱量就會照同樣的比例減少。
保溫瓶是銀色的，就是為了降低這個 ε。不是裝飾。
| 熱水 90℃ 換成絕對溫度 | 90 ＋ 273 ＝ 363 K |
| 室內 20℃ 換成絕對溫度 | 20 ＋ 273 ＝ 293 K |
| 363 的4次方 | 363⁴ ≒ 1.74 × 10¹⁰ |
| 293 的4次方 | 293⁴ ≒ 0.74 × 10¹⁰ |
| 兩者的差 | 1.74 − 0.74 ＝ 1.00（× 10¹⁰） |
| 一般表面（ε ＝ 1）的話 | 5.67 × 10⁻⁸ × 1.00 × 10¹⁰ ≒ 567 W/m² |
| 鏡面（ε ＝ 0.05）的話 | 567 × 0.05 ≒ 28 W/m² |
只要做成鏡面，就少了20分之一。這正是把內側做成銀色的理由。
| 水壺表面積 | A ＝ 約 0.06 m² |
| 散熱的強度 | 28 × 0.06 ≒ 1.7 W |
| 1小時（3600秒）散失的熱 | 1.7 × 3600 ≒ 6120 J |
| 把500 g熱水降1℃所需的熱 | 4.2 × 500 ＝ 2100 J |
| 1小時內下降的溫度 | 6120 ÷ 2100 ≒ 2.9 ℃ |
1小時大約降3℃。早上裝的90℃熱水，到中午還是熱的，原因就在這裡。透過數字可以看出，漏出去的熱只有1.7 W，跟小燈泡差不多。
※ 面積和輻射率只是參考值。實際上瓶蓋和瓶口部分會漏出更多熱（見下一節）。
同一個水壺，如果把熱水改成60℃會怎樣呢？溫差大約是90℃時的一半，但散熱量不會變成一半。
| 60℃ 換成絕對溫度 | 60 ＋ 273 ＝ 333 K |
| 333 的4次方 | 333⁴ ≒ 1.23 × 10¹⁰ |
| 取差值 | 1.23 − 0.74 ＝ 0.49（× 10¹⁰） |
| 跟90℃時相比 | 0.49 ÷ 1.00 ＝ 0.49 倍 |
這個例子剛好接近一半。但是溫度如果繼續往上升，情況就不一樣了。4次方在溫度越高的時候，效果會變得越明顯。剛倒入熱水時降溫最快，原因也在這裡。
只讀「與4次方成正比」這句話，不會有任何感覺。把數字代入兩次比較看看，才會真正明白。
高中＋為什麼「瓶頸」會成為弱點
熱的傳導難易度，可以用類似電阻的方式來思考。當散熱路徑有好幾條時，可以看成並聯的電阻。
在並聯電路裡，電流會集中流向電阻最小的那條路。熱也是一樣，不管把真空層的電阻做得再大，只要瓶頸部分的電阻小，熱就會從那裡漏出去。
所以在設計上，會把瓶頸做細（縮小截面積）、做長（拉長距離）、使用不易傳熱的材料。除非把最弱的那條路補強，否則整體不會變好，這個設計上的通則，在這裡也一樣適用。
大學為什麼疊層數會有效果
太空船的隔熱，會使用疊了幾十層薄膜的多層隔熱材。層與層之間是真空。
原理很單純。每多放進去一層反射用的薄膜，靠輻射傳遞的熱就會減少。理想情況下，放入 n 層之後大約會變成 1/(n+1)。疊10層的話會降到10分之1以下。
這個想法也用在住宅的窗戶上。把玻璃做成雙層，其中一面加上能反射紅外線的薄膜，讓它具有可見光可以穿透、但熱線會被擋回去的選擇性特質。冬天把室內的熱反射回來，夏天則阻擋日照的熱進來。可以說是把保溫瓶的鏡面，做成能依波長挑選的版本。
研究中還留著的課題
- 真空會一點一點流失。不管封得多仔細，材料還是會慢慢釋放出氣體，或是外部氣體滲入。把真空隔熱材用在建築物上時，要評估它能不能維持幾十年的性能是很困難的。雖然有加入吸附氣體材料等巧思，但長期的實證資料還在累積當中。
- 在極狹窄的縫隙裡，常識會改變。過去認為靠輻射傳遞的熱有理論上的上限，但當縫隙比光的波長還窄時，理論上會預測熱傳遞超過這個上限，而且也已經在實驗中得到確認。這是奈米尺度才會發生的現象，保溫瓶的常識在這裡不再適用。利用這個現象進行發電或冷卻的研究正在推進，但離實用化還有一段距離。
- 也有研究在開發只讓熱往單一方向通過的元件。電有二極體，但要用熱做到同樣的事並不簡單。如果實現，隔熱的思考方式本身可能會改變。目前性能還很有限，離實用還很遠。
- 長時間維持極低溫，至今仍是難題。太空望遠鏡為了觀測，需要維持非常低的溫度，會搭配遮熱板和冷卻裝置一起使用。些微的熱漏出都會妨礙觀測，所以設計極為講究細節。
與教科書的對應（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應之處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・熱的傳遞方式（傳導・對流・輻射） | 3條散熱路徑、真空、鏡面的作用 |
| 高中 | 物理基礎・熱量與熱的移動 | 溫度4次方定律、因輻射率造成的差異 |
| 高中＋ | 物理・熱力學（大多屬於進階內容） | 熱阻的並聯、瓶頸成為弱點的原因 |
| 大學 | 傳熱工程・建築環境工程 | 多層隔熱、低輻射膜、選擇性輻射特性 |
| 研究中 | 奈米尺度傳熱（尚未解決） | 真空的劣化、近場輻射、熱二極體 |
- Incropera, F. P. et al., Fundamentals of Heat and Mass Transfer（傳熱學的標準教科書，涵蓋輻射率、多層隔熱）。
- Dewar, J., Collected Papers on Low Temperature Research（真空雙層容器的發明）。
- Song, B. et al., Near-field radiative thermal transport, Nature Nanotechnology 10, 253–265, 2015（近場輻射傳熱）。
- NASA 關於詹姆斯・韋伯太空望遠鏡遮熱板的說明。
- 建材試験センター（日本建材試驗中心）及各廠商關於真空隔熱材與雙層玻璃性能的資料。
※ 輻射率與保溫性能的數值，會因材料、產品、條件而有所差異。本文所列為一般常用的參考值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中所列數值僅為理解原理用的參考值，會因產品或條件而有所差異。進行熱水相關的觀察時，請務必注意燙傷風險。產品的使用方法請遵照使用說明書。