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。

對流

液體和氣體統稱為流體(fluids),它們的分子可以自由移動,故在傳遞熱量時,大部份靠分子之移動來完成。當它們一部份受熱時,除少數特例以外,均有體積膨脹,使密度減小之現象,此時密度小者上升,附近未受熱且密度大者立即流動過來填補,流體分子不斷循環流動,逐漸將熱傳播於全體,此一現象稱為對流。

小實驗:

           

取試管盛水放入木屑,待木屑沈積在底部後置於酒精燈上加熱。若只熱其頂部,可發現頂部之水沸騰時,木屑仍在試管下方靜止,並未跟著水泡起舞。

那是因為水及玻璃均為熱的不良導體且水沒有形成對流,熱不易由上往下傳遞。但若直接加熱底部,則對流現象可使全體達到沸騰,我們就可看到木屑上下流動的對流現象。

熱對流的生活應用
煮開水的時候,雖然只在壺底加熱,但是很快地整壺水都會變熱,這是對流的結果。
冷氣機通常都裝在室內較高的地方,而壁爐則都裝設在較低的地方,是利用空氣的對流作用,使冷空氣下降,熱空氣上升,提高冷房的效果。 

自然界中之對流現象

赤道附近因太陽照射量大,地面之熱空氣上升,南北半球之冷空氣前來填補,這種對流作用加上地球由西向東的自轉運動,在南半球形成西南季風,而在北半球則為東北季風。它也稱為貿易風,這個風和中國的鄭和下西洋,西方人航海探險前來東方貿易殖民的故事,有著密切的關連

在海濱地區,白天太陽照射,陸地溫度高於海水(??),使地面上的熱空氣上升,故風易從海面吹向陸地,形成海風夜晚時陸地溫度低於海水,海面上的空氣溫度較高而上升,因此風易從陸地吹向海洋,形成陸風

滑翔翼及兀鷹,完全是靠溫暖地面升起的對流空氣,獲得向上的推力,才能在空中自在的飛翔。

此外,大陸性氣候、海洋性氣候也是和對流有關。

強迫對流
另一種透過外力驅動,使液體或氣體流動,而達到熱傳播的效果,稱為強迫對流。汽車引擎或大型中央空調系統產生的熱,大多用水來冷卻,受熱後的水由泵送至散熱器或冷卻水塔將熱排出,冷卻後的水被迫循環流回,這便是一種強迫對流。另外,如果冷氣機內部沒有裝置風扇以強迫空氣對流,則冷房的效果便無法達成。

想想看

1.手靠近燭火旁,並不覺得很燙,但手放在燭火上方相同距離時,卻感覺很燙,為什麼?
ANS因為自然對流,熱空氣向上升,故燭火上方最熱,側面因為有冷空氣補位,相對而言較不覺得熱。

2.清晨在山谷中的湖邊生火,炊煙鉛直向上升,但是到了一定高度後,炊煙卻不再上升,反而向旁邊散開,為什麼?
ANS火堆產生的熱空氣因自然對流而向上升,高度漸增,炊煙溫度漸低,到達某高度處,炊煙的溫度和該處空氣溫度相當,便不再上升,於是逐漸向兩旁散開。

3.如果汽車引擎冷卻系統水箱內的泵不作用,則對水箱會有何影響?
ANS泵如果不作用,則水箱內的水不會被強迫流動,於是引擎附近的溫度持續上升而無冷水循環使其降溫,時間一久很容易導致引擎過熱而造成車子損害。

4.夏天時,在車站或百貨公司開放空間的門口上方,常會有強風朝下方吹,其作用為何?
ANS夏天開冷氣,門口的風牆可使其內的冷氣被強迫對流所隔絕,而不易散逸到室外,因而節省能源。

5.有門而開口朝上、有門而開口在側面、無門而開口朝上、無門而開口在側面等四種不同形式的冰箱,何者較省電?何者較費電?
ANS由於自然對流的特性,冷氣會下沉,故有門而開口在上的冰箱最省電。無門而開口在側面的冰箱,冷氣容易散逸出去,故最費電。