單元陸:熱的傳播

一、 熱的傳播方式

()熱的傳播方式:

1.熱量的傳播原理是高溫傳向低溫

2.熱的傳播方式有三種:傳導、對流、輻射

(1)傳導】是固體物質主要的傳熱方式。

(2)對流】是流體(液體、氣體)的傳熱方式。

(3)輻射】不需任何介質即可傳播,在真空中亦然。

3.熱是能的一種形式,可藉以上三種方式中的任何一種向四週環境溫度較低的地方傳播。

4.太陽的熱能會傳到地球,是藉由熱輻射的方式傳播,因為太陽與地球之間隔著遙遠的太空,無任何物質可藉以傳導或對流,故只能依靠熱輻射的方式將熱量傳向地球。

 

()熱的傳導:

1.一般而言,金屬的熱傳導速率大於非金屬,而金屬之中又以銀的熱傳導最佳,其次為銅,不同物質的熱傳導速率並不相同。

2.熱傳導的原理是物質中的粒子以碰撞的方式將熱由高溫處傳向低溫,導電性佳的金屬其導熱性亦佳,唯石墨此種非金屬例外,石墨可以導電,但熱傳導很差。

3.以同一種金屬而言,截面積愈大的金屬其熱傳導速率愈大,且金屬兩端的高低溫差愈大者,熱傳導速率愈大。

4.熱傳導的觀察:

(1)目的:比較不同的金屬、金屬與非金屬之間的熱傳導速率。

(2)取截面積及長度相同的銅棒、鐵棒和玻璃棒,觀察比較三者熱傳導速率的快慢。

(3)將銅棒、鐵棒和玻璃棒三者的一端纏繞在一起,並在另一端等距離處以石蠟分別固定一根質量相同的火柴棒,再以酒精燈於纏繞端加熱。(裝置如圖一所示):

(4)圖一中的三根火柴棒與火焰的距離皆相等,當熱傳至火柴棒底部的石蠟達熔點時,火柴棒會因為石蠟熔化而掉落。

(5)依據火柴棒掉落的先後順序,觀察銅棒、鐵棒和玻璃棒三者的熱傳導速率。

(6)觀察結果:固定在銅棒上的火柴棒最先掉落,其次的是順序是:鐵棒及玻璃棒。

(7)依本實驗之觀察結果,三者熱傳導的速率依序為:銅棒>鐵棒>玻璃棒

 

5.不同物質的熱傳導速率比較:

()熱的對流:

1.熱對流與物質的密度大小有關,相關說明如下:

(1)原理:空氣和水(合稱:流體)受熱會因體積膨脹而使密度變小,因高溫的流體密度較小,會向上飄浮,而低溫的流體密度較大,會向下沈降,如此便形成對流現象。

(2)取一燒杯盛水,在水中加入木屑或甘蔗渣碎屑,以方便觀察對流的方向,以酒精燈在燒杯底部加熱(如圖二所示):



(3)觀察結果:燒杯底部因火焰直接加熱使溫度上升,使水的體積膨脹而密度變小,見水中碎屑受水的流動而向上流動至水面,又因水溫下降而使水的密度增大,再向兩側下降形成循環。

(4)當水溫到達沸點時,對流現象愈加明顯,足見水的熱傳播主要是以對流方式將熱量由燒杯底部傳向其他水溫較低的部份。

(5)氣體的對流方式與水相類似,煙囪即為利用氣體對流的裝置。

 

 

2.水的熱傳導極差,此點可藉由以下裝置做觀察(如圖三):


3.圖三觀察結果:

(1)圖三-甲裝置,火焰在大型試管上端加熱,直到試上端出現沸騰現象時,以手握住試底部時,只感覺稍微溫熱,且許久不見底部的水沸騰。

(2)圖三-乙裝置,火焰在大型試管底部加熱,必須以試管夾握住試管,欲以手握住試管上端則會感覺到高溫。

(3)甲、乙相較,甲的上端較先出現沸騰的現象,但只有試管上端的水有沸騰現象,下層的水則不易沸騰。足見水的對流只在火焰加熱點以上的部位發生,以下的部位則需藉熱傳導及熱輻射傳播熱量,但速率皆不及熱對流快速。

(4)乙裝置在水的底部加熱,沸騰現象較甲為晚發生,一旦出現象沸騰現象,會很快傳至試管其他部份,使整根試管內的水皆出現沸騰的現象。

(5)由此觀察可以證明,水的熱傳導速率很慢,而水的主要傳熱方式為熱對流

 

 

()熱的輻射:

1.熱輻射是一種電磁波的型式,不需任何介質即可傳遞,真空中亦然。且傳播速率等於光速,是三種傳熱方式中速率最快的。

2.物質的表面性質:如光滑程度、顏色等,對熱輻射有直接的影響。

3.表面粗糙的物質較光滑的表面更容易吸收且容易散發熱輻射。例如:大小相同的毛玻璃和光滑的平玻璃同時置於太陽下曝曬,則毛玻璃的溫度上升較光滑的平玻璃為快。

4.物體表面顏色為黑色(或深色)時,吸收熱輻射或散發熱輻射的速率皆較表面為白色的物體為快

5.顏色與輻射的觀察:

(1)取完全相同的兩個燒杯,其中一個燒杯以顏料塗成白色;為甲燒杯,另一個燒杯則以顏料塗成黑色;為乙燒杯。

(2)同時在甲、乙兩燒杯盛入質量、溫度皆相同的熱水(初溫80℃),每隔20分鐘紀錄一次燒杯內的水溫,觀察兩燒杯的水溫隨時間的變化,並分析燒杯顏色與熱量流失的關係。

(3)觀察裝置如圖四所示:

(4)燒杯內的水溫隨時間的變化,得數據(如表一所示):


(5)根據表一數據,繪製兩燒杯水溫變化與時間的關係(如圖五):

(6)由本觀察可以得知;外表黑色的乙燒杯於40分鐘時達熱平衡30,白色的甲燒杯則在100分鐘才達成熱平衡,且由數據可推論當時的空氣的溫度(或稱系統溫度)為30

(7)結論:表面為黑色的物體,散失熱輻射的速率較外表白色的快。

 

二、 熱平衡

(一)動態的平衡:

1.熱量的流動方向是由高溫傳向低溫,當系統中各物體的熱量流動直到溫度皆相等時,即稱為【熱平衡】。

2.系統達成熱平衡時,熱量的傳播並未停止,系統中各物體仍保持熱量的交流,故「熱平衡」是動態的平衡

3.以熱水的散熱為例,初時燒杯內盛入100℃的熱水,因為水溫高於環境的溫度(假設氣溫為25℃),則熱量流動的方向為燒杯傳向空氣中,待水溫逐漸與氣溫接近時,燒杯內的熱水向外傳熱的速率便會減小,而空氣中的熱量傳向燒杯內的速率則會逐漸加快,直到兩者傳播的速率相等時,即代表燒杯內的水溫與氣溫相同,此時稱為:熱平衡,而燒杯內的水溫度最後維持在25℃,與氣溫相同

(二)熱平衡的觀察:

1.為觀察熱平衡前後溫度的變化,可取100℃的熱水和20℃的冷水置於絶熱良好的容中,以冷、熱水以金屬片隔開裝置(如圖六):

 

2.將熱水的溫度變化以紅色曲線表示,冷水的溫度變化以藍色曲線表示,繪製成溫度與時間的關係圖(如圖七):

3.由圖中之曲線在20分鐘後即不再改變,可以看出此系統在20分鐘達成了熱平衡 ,此時溫度為60

 

三、 保溫與絶熱

(一)溫度≠熱量:

1.生活中所慣用的「保溫」一辭,實際上是「絶熱」的意思。運用絶熱材料可以達到使物體維持定溫,謂之保溫。

2.「絶熱」:是運用方法阻止物體熱能的釋出或由外界進入物體,使物體維持一個定溫,稱為絶熱。

3.因為生活中有特定的需求,保溫有下列兩種情形:

(1)保持物體為高溫:
例如熱水瓶、外賣披薩等,主要在阻止熱能流失。

(2)保持物體為低溫:
例如:以保麗龍盒盛裝冰淇淋,目的在阻止熱量由空氣中傳向冰淇淋中,以防止冰淇淋熔化。

(二)、絶熱材料:

1.能夠阻止熱量傳播的物質,通常針對熱的三種傳播方式而言,傳熱效率最差的即為良好的絶熱材料。

2.阻絶熱傳導:

(1)因為非金屬的熱傳導較差,固非金屬是較好的絶熱材料,而非金屬中又以氣體的熱傳導最差,可惜氣體會以對流的方式傳播熱量,故想要用氣體做為絶熱材料,需配合阻止氣體對流的措施才能達到保溫的目的。

(2)例如:羽毛衣能保溫,是衣服內的羽毛阻止了羽毛之間氣體的對流,而氣體又是熱的不良導體,故可以保持人的體溫,阻止身體的熱量散失到空氣中。

3.阻絶熱對流:

(1)欲阻止熱對流,抽真空是最好的方法,其次上述2-(2).中的羽毛也是一例。

(2)軟木塞、保麗龍等材料,內部有許多氣泡,但氣體之間並不相通,故不會對流,故為良好的絶熱材料。

4.阻絶熱輻射:

(1)熱輻射事實上是一種電磁波,是一種不可見光,又稱:紅外線,在真空中也能傳遞,故欲阻絶熱輻射的方法類似阻絶可見光一般。

(2)由於熱輻射是一種光線,故將容器表面製成光滑表面或鍍上反光物質,就可達到防止熱輻射傳播的目的。

(3)車窗玻璃貼上有反光效果的薄膜,可防止車外的熱輻射傳向車內。

 

三、  熱水瓶的保溫原理

1.熱水瓶的保溫原理不外乎阻止熱的三種傳播方式: 傳導、對流、輻射

2.熱水瓶所選用的材質皆為以熱的不良導體為主。

3.熱水瓶可以阻止熱能的流動,故可以讓瓶內的水保持高溫,但也可以保持低溫狀態。

4.(如圖八)為玻璃內膽的保溫熱水瓶結構圖,各部位絶熱功能如下:

(1)【軟木塞】:目的在防止熱傳導

(2)【鍍銀】:目的在防止熱輻射

(3)【真空夾層】:目的在防止熱對流熱傳導

(4)【玻璃內膽】:玻璃是熱的不良傳導體,可防止熱傳導

(5)經長時間的觀察後,熱水瓶內的水最終的溫度會與環境達成熱平衡,亦即最後水溫會與空氣的溫度相同。

 

創用CC標示:
CC