3-3  熱的傳播
傳導對流輻射
 
熱是如何傳導的?        影響熱傳導能力的因素
     熱對流的生活應用         自然界中之對流現象
        強迫對流

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3-3  熱的傳播     傳導對流輻射

我們知道熱是從高溫的物體,轉移到低溫物體的能量,但是熱是如何傳播呢?從生活經驗和自然現象的觀察中,我們可以歸納出熱有三種傳播方式:傳導、對流、輻射。

傳導
營火晚會時,將鐵鉗插入火堆中,不久把手部分也熱了起來,這是熱的傳導作用。

熱傳導必須靠物質作媒介,才能將熱從高溫處傳遞到低溫處,這是固體物質傳播熱量的主要方式

熱傳導的快慢或者說難易程度,和物質本身的特性有關,有些相差非常懸殊。容易傳熱的物質,稱為熱的良導體,例如銅、鋁等一般的金屬;反之,很難傳熱的物質,則稱為熱的絕緣體,例如石綿、玻璃纖維等。

一般而言,金屬因導熱能力最強,常被選為導熱材料,而非金屬或氣體則比較不易導熱,故多做隔熱用途。

銀、銅、鋁三種常見之金屬互相比較,銀之導熱能力最佳,其次為銅和鋁,但鋁有材料輕、價錢便宜之優點,故被廣泛用於煮飯鍋、開水壺、炒菜鍋等之日常用具中。

傳熱佳則保溫必差,

冬天的沙鍋就必須選用石頭或陶瓷等導熱性差者做材料,才能保溫以慢慢享受熱騰騰的佳餚。

行軍或露營時之咖啡杯或茶杯多選用不袗而不用導熱性較佳的鋁,除美觀、不生繡及不易變形外,主要著眼於其保溫效果優於鋁製材料,也比較不會燙手、燙口。

冬天時,家中的鐵椅子比木椅子感覺冷得多,並不是因為兩者的溫度有差異,而是因為人體溫度高於室溫,熱由人體傳導至鐵椅子較快的緣故

靜止而乾燥的空氣導熱性質不良,有極佳隔熱效果。

用棉花、羊毛等製成的衣物較其他的織品保暖,是因為它們的纖維間可以容納較多量的空氣,使得熱量不易從身體傳導到外界。

輕薄絲質衣服保暖性優於厚重之棉懊,是因為絲的纖維比棉的更細,在同厚度時其內部能容納之靜止空氣較多之故。

有些西式房子在屋頂加蓋有閣樓,閣樓裡的空氣使得熱不易傳入也不易傳出,故閣樓下的房子可保持冬暖夏涼。

建築或冷藏櫃上常用的隔熱材料,如聚亞胺酯泡沫、玻璃纖維等,其內部都分散有大量的小氣泡,使其成為極佳的絕緣物

為何冬天穿數件薄衣服可能較一件厚衣服保暖?

太空梭梭體表面黏貼的特殊隔熱磚,熱傳導能力非常低,是一種極佳的熱絕緣材料。當太空梭進出大氣層時,因與空氣摩擦產生高溫,隔熱磚的絕熱作用可保護太空梭不致於因高熱而受損。

熱是如何傳導的?

我們可以從物質的粒子模型,來理解熱的傳導過程。當固體的一端受熱時,其溫度升高,即其內的原子或分子運動變得劇烈,或者說在其原平衡位置附近的振動速度加快,幅度也加大。因此碰撞鄰近的原子或分子,而使它們的運動也隨之漸漸地劇烈起來。像這樣的碰撞連串地進行,從受熱端擴及周遭的部分。熱也隨即從溫度高的部分傳至其他溫度較低的部分。

這種碰撞發生時,固體內之原子或分子一直留在原地振動,沒有移動發生,而自由電子則可到處移動。因為金屬導體內部有大量的自由電子,非金屬之絕緣體中則沒有,故金屬藉自由電子之運動,使其較非金屬更容易導熱,但也由於各種金屬之自由電子數量多寡不同,使金屬間導熱能力也有快慢之分。

想想看

1.用羽毛或棉花做的睡袋,哪一種較為保暖?
ANS羽毛比棉花更具彈性,被壓時容易恢復而包裹住空氣。利用空氣較差的熱傳導特性,可更保暖。

2.將鐵網平放在酒精燈火焰的中間,鐵網下方火焰仍在,但上方卻無火焰,為什麼?
ANS鐵是熱的良導體,火焰中所生的熱經由鐵網的傳導迅速降低溫度,當溫度低於燃點時,其上便無法燃燒以產生火焰。

3.愛斯基摩人所住之冰屋為何能保暖?

小實驗:

取一些火柴棒沾凡士林依序排列掛在螺絲起子上。手執螺絲柄,將螺絲刀之一端插入火焰中,我們可看到火柴棒由火焰端向著螺絲柄端依序掉落下來,這現象說明了熱的傳導方向是由高溫處流到低溫的地方。

影響熱傳導能力的因素
熱傳遞之快慢除了兩點之溫差材料種類以外,導熱體之截面積和長度也是重要因素。

如圖,導體AB兩端之溫差及截面積增大,或長度縮短均可使熱之傳導速率增快。

炒菜鍋面積大而薄,炒菜時鍋底用大火,可縮短炒菜時間,正是此原理之應用。