溫度和溫度計
水溫的變化和熱量的關係
熱的傳播
溫度計

壹、熱的傳播與熱平衡

一、熱的傳播:在自然發生的熱能交換過程中,熱量都會由高溫處向低溫處傳播,這種現象稱為熱的傳播。

例:手拿著冰塊會覺得冷,這是因為手的溫度比冰的溫度高,熱從手流向冰塊,因此你的手會覺得冷。反過來當你的手放入熱水中(注意避免被燙傷),會覺得燙,這是因為熱水的溫度較高,所以熱就從熱水傳到手上。
【註】1.熱量一定由高溫移向低溫,不一定從熱量多傳到熱量少的。

例:50g、80℃的甲杯水,置於1000g、70℃的乙杯水中,熱量由甲杯傳到乙杯。
2.熱量轉移的過程中,高溫的物體溫度下降,低溫的物體溫度上升。
例:100℃的鐵塊投入20℃冷水中,鐵塊溫度下降而冷水溫度上升,熱量由鐵塊轉移至水中。

二、熱平衡

1.在自然發生的熱能交換過程中,熱量都會由高溫處向低溫處傳播,這種傳播將延續到整體溫度都相等為止,我們稱整體已達到熱平衡。
2.溫度計的使用,即利用溫度計與被測物體所成的系統能達到熱平衡的性質,來測量物體的溫度。溫度計的讀數將略小或大於待測物體的原來溫度。
例:25℃的溫度計與80℃熱水接觸時,溫度計吸收熱量,熱水放出熱量,最後兩者溫度相等,溫度計的讀數將略小於80℃。

貳、熱的傳播方式與保溫瓶及燜燒鍋

一、熱的傳播方式:熱量都會由高溫處傳向低溫處。傳播的方式有三:傳導、對流和輻射。

1.傳導:熱經過物體,從溫度高的地方傳到溫度低的地方。

(1) 不同的物體對熱的傳導效果並不一樣。一般而言,金屬對熱的傳導效果較好,而非金屬的傳導效果較差。傳熱速率的比較「銀>銅>鋁>鐵>鉛>水銀>冰>玻璃>水>軟木>毛氈>空氣」。一般而言,傳熱速率:金屬>液體>氣體。
(2) 常見有關傳導的實例:

例1:金屬易傳熱,故炒菜鍋、電熨斗等均由金屬製成;木材、塑膠不易傳熱,故鍋柄、水壺把手等均由木材或塑膠製成。
例2:燒飯用的鍋是鐵製的,而盛飯用的桶卻多用木製。
例3:冬日著棉襖可以禦寒;冬日用稻草包裹花木,可防凍死。
例4:50℃的鐵塊與棉絮以手觸之,覺得鐵較燙熱;0℃的鐵塊與棉絮以手觸之,覺得鐵塊較冷。
例5:用紙包裹銅管,放在火焰中,不致立即點燃;用紙包裹木棒,則紙容易燃燒。這是因為銅為熱的良導體,易將熱量傳走,使紙不易達到其燃點,故紙不致立即點燃;而木棒為熱的非導體,不易將熱量傳走,致使紙易達其燃點而被點燃。

2.對流:凡由液體或氣體本身的循環移動,而漸次傳播熱量及全部之現象。

(1) 成因:當液體或氣體物質一部分受熱時,體積膨脹,密度減少,逐漸上升,其位置由周圍溫度較低、密度較大的物質補充之,此物質再受熱上升,周圍物質又來補充,如此循環不已,遂將熱量由流動之流體傳播到各處。
【註】液體和氣體(合稱流體)主要的熱的傳播方式是靠對流,因為氣體和液體熱的傳導效果都很差。
(2) 應用:

a.燒水使之沸騰必須從底部加熱(如右圖)。

圖(一):水的對流:熱水上升,冷水下降。

說明】如果受熱部分在上端,則密度較小的熱水已經在上方,這時對流的效果就會很差。
b.冰箱中的冰須置於上部。
c.室內的冷氣裝置須置於上部,暖氣機須置於室內低處(如下圖(二))。

  圖(二):空氣的對流:熱空氣上升,冷空氣下降。

 d.煙囪之架設。
【說明】煙囪的設置,就是要幫助氣體對流,當熱空氣順著煙囪向上傳遞時,新鮮的冷空氣可以不斷補充,讓爐內的燃燒效果更好。

(3) 常見有關對流的實例:

例1:冬天睡覺時蓋棉被,主要是可以防止棉被內外空氣的對流而保持體溫。
例2:喝熱水時,若嫌其太熱,常用口吹氣,這是因為吹氣時,鄰近空氣發生對流作用,把熱水的熱帶走,而使熱水易冷卻。
例3:失火的地方,常有風助火勢;濱海地區,夏日白天常吹海風,晚上常吹陸風。

3.輻射:熱不經物體傳導,也不藉液體或氣體攜帶,直接由熱源傳播到各處的現象,稱為「輻射」。太陽的熱係由輻射傳到地球的。

(1) 輻射的特性:

a.任何溫度下的物體都會由表面輻射出能量,高溫的物體輻射出的能量多,低溫的物體輻射出的能量少 熱量仍由高溫處移動至低溫處。 
b.輻射熱傳播的速度與光速相同(3×108m/s)。輻射熱沿直線進行,若遇障礙即被阻止。
c.能透過輻射熱的物質,如玻璃、水等,其本身都不易吸收輻射熱。
d.白色、淺色或表面光滑的物體不易吸收輻射熱而易反射輻射熱,黑色、色深或表面粗糙的物體易吸收輻射熱而不易反射輻射熱。
e.易於吸收輻射熱者,亦善於放出輻射熱,不易吸收輻射熱者,亦不易放出輻射熱。

(2) 常見有關輻射的實例:

例1:夏天在樹蔭下或撐傘可以擋住太陽的輻射熱,故較涼爽。
例2:冬天穿深色衣服在陽光下易吸熱而覺得暖和;夏天穿白色衣服,在陽光下不易吸熱而較涼爽。
例3:黑、白二杯中盛等量、等溫的熱水,則黑色杯中的水溫度下降較快。
例4:銅製開水壺表面磨光但底部粗糙,因底部粗糙易吸熱,表面磨光易反射壺內之熱量,使熱不易發散。
例5:太陽的熱傳到地球上,高空離日較近,高空氣溫卻反而低?此因太陽輻射熱透過空氣,空氣難吸熱,但靠近地面處,地球表面反射及吸收太陽之熱,因此使地面的氣溫較高空熱。

二、保溫瓶:保溫瓶為何能保溫或保冷?其原理就是隔絕熱的傳播途徑而達到保溫效果,其構造如右圖所示。

1.可防止傳導:雙重壁玻璃瓶之兩壁間抽成真空,熱無法以傳導方式傳出瓶外,且瓶口的軟木塞是不良導體,亦可防止熱的傳導。
2.可防止傳導及對流:兩壁之間,沒有空氣,熱無法以傳導及對流方式傳出於瓶外。 
3.可防止輻射:玻璃瓶之內、外壁都鍍有銀膜,可以反射輻射熱,故熱無法以輻射方式傳出於瓶外。

三、燜燒鍋:其設計就是將食物加熱後,隔絕熱的傳播途徑,把熱能保留下來,所以雖然不必繼續加熱,經過一段時間後,仍然可以把食物燜熟。