基础物理认识热

基础物理认识热1-1温度与热量1-2热与物态变化1-3热与生活目录1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量温度（temperature）是代表物体冷热程度的物理量。测量温度的工具称为温度计（thermometer），温度计常利用物质冷缩热胀的特性，经选定膨胀、收缩均匀的材料制作而成。常用的温度计有水银温度计、酒精温度计。常用的温度坐标有摄氏温标℃（Celsiustemperaturescale）、华氏温标℉

（Fahrenheit'sthermometricscale）、克氏温标Ｋ（Kelvin'sthermometricscale）。1-1温度与热量1-1温度与热量如果利用同一种材料做成三个温度计，如图1-2所示，不论你采用何种单位，其内液体冷缩热胀的程度必定是相同的。也就是说，这三个温度计不论用何种温标，其对应部位的长度比例必相同。利用这个原理，就可得到如图1-2所示，三种温标的换算关系。1-1温度与热量如图3-3所示，铁鎚敲击过一阵子之后会发烫、晒过太阳后也会发烫。可以确认的事：敲击使铁鎚内部粒子快速运动。所以物理学上认为：物体加热时温度升高的现象，其实是物体内部粒子加快运动所造成的。热是能量的一种形式，与物质内部粒子的运动有关，它没有实体、也没有重量，它会在不同温度的物体间传递，在自然发生的过程中，必定是由高温物体传向低温物体。1-1温度与热量1-1温度与热量热学常见的公式，如公式1-1、公式1-2所示。其中热量（heat）H代表「热变化量、热流动量、加热前后的热量差」。虽然名为热量，但是实际运算上，它无法拿来计算物质内部的总热量。而热容量C则是由m．s两个物理量合并而成的物理量。1-1温度与热量1-1温度与热量如图1-4所示，为卡、比热、热容量三者的比较。从定义上来看，使1克的纯水上升1℃所需要的热量，称为1卡（calorie），卡是热量常用的单位。使1克的物质上升1℃所需要的热量，称为该物质的比热（specificheat）。1-1温度与热量使一个物体上升1℃所需要的热量，称为该物体的热容量（heatcapacity）。在接受（或释出）相同热量的条件下，热容量大的物体，温度不容易升高，也不容易下降；反之，热容量小的物体则有易热易冷的特性。1-1温度与热量如表1-1所示，为一般常见物质的比热。1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量另外，在实验室中，以稳定热源加热物体时，物质所吸收的热量也可利用加热率（heatrate）来求得，如公式1-3所示。1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量1-1温度与热量1-2热与物态变化1-2热与物态变化如图3-6所示，铜的冷缩热胀比铁多，所以利用铜、铁接合而成的复合棒，就可以使灯泡自动明灭，制成很活泼的灯饰。大部分物质受热后会膨胀、受冷时会收缩。如果没有适当的空间供给物体膨胀收缩，时间一久，物体就会产生裂缝而损坏。1-2热与物态变化1-2热与物态变化如图1-7所示，火车铁轨上的伸缩缝、输油管每隔固定长度就弯曲成U形、桥梁两端的伸缩缝……都是用来预防物体的冷缩热胀，以免长时间的膨胀收缩而造成破坏。1-2热与物态变化如图1-8所示，目前科学家认为，同一物质的固态（solidstate）、液态（liquidstate）、气态（gasstate）三态变化，其实是物质粒子间束缚关系的改变。物质无论为固态、液态或气态，组成的粒子都保持着运动的状态。而且温度愈高时，粒子的运动愈快。例如阳光射入屋内时，我们常常可以看见空气中的灰尘、清水中的杂质一直在运动、不会停下来，这些都可以证明物质粒子正在运动。1-2热与物态变化1-2热与物态变化若是物质粒子间的束缚很强时，物质会呈现固体状态。当物质受热时，其粒子会加快运动、同时出现温度上升的现象，并且因为互相推挤而造成粒子间的距离拉开，于是物质的体积就因为受热而膨胀了。一般而言，物质发生冷缩热胀的强烈程度是气体＞液体＞固体。但是自然界中有些物质并不遵守冷缩热胀的现象，例如液态的水在4℃以下时，是冷胀热缩的。1-2热与物态变化当固态的物质加热到某一温度、粒子运动太快时，彼此之间推挤的力量太大，就会造成固体结构崩溃的现象，开始转变成液态。当液态的物质加热到某一温度、粒子运动太快时，就会造成液体粒子急遽地脱离液面的现象，开始转变成气体状态。1-2热与物态变化图3-9为-10℃的冰加热后，上升温度与加热时间的关系。冰块加热到0℃时会开始变成水。1-2热与物态变化大部分固体受热到某一温度时，都会开始转变成液体状态，这种现象称为熔化（melt）。熔化期间，固态与液态是同时存在的，虽然继续受热，但是温度却不会上升。这时的温度称为熔点（meltingpoint）。1-2热与物态变化液体加热到某一温度时，会全体开始急遽地转变成气体，这种现象称为沸腾（boil）。沸腾时，液、气体是同时存在的，虽然继续受热，但物体的温度却不会上升。这时的温度称为沸点（boilingpoint）。1-2热与物态变化图3-10之熔化与沸腾过程中，物质仍在吸热，但是这段期间的温差△T＝0，所以原先的H＝ms△T公式已经不能算出物质所吸收的热量。1-2热与物态变化因此科学家只得针对个别物质测量其熔化、沸腾时所吸收的热量。其中，每一克的固态物质熔化成同温度液体所吸收的热量，称为该物质的熔化热（meltingheat）。由实验可测出冰的熔化热为80卡／克。每一克的液态物质沸腾时，汽化成同温度气态所吸收的热量，称为该物质的汽化热（heatofvaporization）。由实验可测出水的汽化热为540卡／克。1-2热与物态变化图3-11为冷却高温水蒸气，温度下降与冷却时间的关系。1-2热与物态变化水蒸气冷却到100℃时，转变为液态的现象，称为液化（liquefaction）。液化期间，气、液体是同时存在的，虽然不断利用冰箱抽走热量，但是物体的温度仍然不变，这时的温度称为凝结点（condensationpoint）。1-2热与物态变化当温度下降时，液体转变成固体的现象，称为凝固（solidification）。凝固期间，液、固体是同时存在的，虽然不断利用冰箱抽走热量，但是物体的温度却仍然保持不变，这时的温度称为凝固点（solidifyingpoint）。1-2热与物态变化图3-12之液化与凝固过程中，物质持续放热，但是这段期间的温差△T＝0，所以原先的H＝ms△T公式已经不能算出物质所释放出的热量。1-2热与物态变化于是科学家从实验中测量出，每一克的气态物质凝结成同温度液体所放出的热量，称为该物质的凝结热（heatofcondensation）。由实验可测出水的凝结热为540卡／克。每一克的液态物质凝固成同温度固体所放出的热量，称为该物质的凝固热（heatofsolidification）。由实验可测出水的凝固热为80卡／克。1-2热与物态变化1-2热与物态变化1-2热与物态变化1-2热与物态变化1-2热与物态变化1-3热与生活热有三种传播方式：传导、对流、辐射。在物体之间自然发生的热交换（heatexchange）过程中，热量必定是由高温处传向低温处。如图1-15所示。绝热容器中装有冷水、热水，分别测量两者的温度，经过一段时间之后，热水的温度会下降，冷水的温度会上升，一直要到所有物体的温度都相等，这种热传播的现象才会终止。这时我们就说整体（整个系统）已达到热平衡。1-3热与生活1-3热与生活热传导（heatconduction）就是热量经由物体中粒子的运动来传播，一般金属的导热效果较好，非金属导热效果较差。如图1-16所示，传导效果较差的非金属木头、塑胶等，可用来作锅子的手把，以避免加热时烫伤。如图1-17所示，将火柴沾蜡油黏在金属棒上，蜡油受热后会熔化使得火柴落下，于是就可以比较何者传热较快。1-3热与生活1-3热与生活热对流（heatconvection）是热量经由流体的运动而传播，是液体与气体的主要传热方式。当液体与气体受热膨胀，会因为密度变小而向上方流动。反之，当液体与气体受冷，则会向下方流动，产生对流，使热量四处传播。1-3热与生活如图1-18，冷气机、冰箱冷冻库通常置于上方，是利用冷空气会下降的原理，形成对流。1-3热与生活如图1-19，热暖炉、暖气机通常置于室内下方，则是利用热空气会上升的原理，形成对流。1-3热与生活如图1-20所示，白天陆地经阳光照射后温度较高，形成上升气流，于是对流的空气由海洋吹向陆地，造成海风。1-3热与生活如图1-21所示，夜晚陆地散热较快，形成下降气流，于是对流的空气由陆地吹向海洋，造成陆风。1-3热与生活如图1-22，将试管注入清水约八分满，先在上端加热一阵子，用手摸试管底部，当上方的水沸腾时，底部的水仍然是冷水。这证明热水只会向上对流，所以底部的水温度上升缓慢。反之，如图1-23，若加热底部，则整支试管都会变热（请改用温度计测试）。1-3热与生活1-3热与生活热辐射（heatradiation）是热量不需经由任何介质而进行的传播现象。如太阳的热量就是经由辐射的方式传到地球。营火晚会时，靠近营火会感到灼热，也是热的辐射。辐射热是所有热传播中最快的，其速度为光速（3×108m/s）。淡色或光滑的表面较易反射辐射热，反之深色或粗糙的表面易吸收辐射热。所以夏天，我们穿白色的衣服会感觉较凉爽。冬天，穿黑色的衣服感觉较温暖。另外，易吸收辐射热者，也易放出辐射热。所以将相同温度的热水置入黑、白不同颜色的杯子中，则黑杯的温度下降较快。1-3热与生活太阳是我们生活中主要的热量来源，它带给了人类温暖、孕育了万物生长、造成了气象的变化、驱动了自然界的水循环。但是人类并不满足于太阳所提供的生存环境。在常温下，大自然供应的食物会受到细菌攻击，很难长期保存，于是人类发明了各种杀菌方法以及冷冻保鲜技术。夏天时阳光充足令人暑热难消，于是人类发明了冷气机，成功地将热量搬出室外。1-3热与生活你可能觉得奇怪！热量并不是一种物质，要怎样才能搬运不是物质的热量呢？其实冷气机及电冰箱都是利用液体蒸发成气体时，吸收周围的热量而使得特定处所温度降低。例如打针时在手臂抹酒精会感觉清凉，是因为酒精蒸发吸走热量。又如，下雨过后气温特别凉爽，是因为雨水蒸发带走了热量。1-3热与生活如图1-24所示，电冰箱的运作原理主要是依靠四个元件：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，再配合控制流量的装置及电冰箱的外箱保温、隔热设计组合而成。1-3热与生活压缩机是位于冰箱外部的马达组；压缩机可将冷媒压缩成高压高温气态的物质，并驱使冷媒在蛇形管内循环。冷凝器是位于冰箱外部的蛇形管；冷媒可在冷凝器中凝结，将热量排放至外部空气（或水）中，然后凝结成高压常温液态的物质。1-3热与生活膨胀阀是位于冰箱外部的冷媒控制器，又称为毛细管；膨胀阀可控制冷媒的流量，并将冷媒降压成低压低温液态的物质。蒸发器是位于冰箱内部的蛇形管；冷媒可在蒸发器中蒸发，吸收冰箱内部的热量，产生冷冻效果，然后变成低压低温气态的物质送回压缩机。1-3热与生活另外如图1-25所示，冷气机的工作原理与电冰箱完全相同，只多了前后两台风扇、一抽一吸，将冷气送进室内、热气排至室外就变成了冷气机。1-3热与生活由于冷气机、电冰箱普及，家家户户都使用的结果，造成了能源大量的消耗，又如果使用方式不对，更会形成大量的浪费。使用电冰箱时，电冰箱应与墙壁间保留空隙、避免阳光直射、远离热源。不宜经常开启冰箱门，而且开启时间不宜过长。冰箱门损坏出现隙缝时，应立即修复。1-3热与生活冰箱门损坏出现隙缝时，应立即修复。不宜经常将冰箱内的控制钮调至强冷或急冷。也不宜在冰箱内堆放过多食物，会使冷气循环不良。不宜将温热的食物直接放入冰箱。1-3热与生活如果