Why are black robes worn in extremely hot climates? 7 熱物理 Why are black robes worn in extremely hot climates?
黑袍下的秘密
熱物理 (Thermal Physics) 溫度與熱 熱膨脹 相變化（phase changes） 熱傳遞（Heat transfer） 氣體動力論（Kinetic Theory of gases） 引擎與冷凍機
7.1 溫度與熱 The Celsius and Fahrenheit temperature scales Kelvin Scale TF = (9/5)TC+32° Kelvin Scale TC = T – 273.15° T3 = 273.16K triple point 水的三相點溫度
凱氏攝氏與華氏溫標
攝氏與華氏溫標
從最高溫到最低溫
溫度計 定容氣體溫度計 熱偶溫度計 Bimetallic strip Optical pyrometer
定容氣體溫度計
凱氏溫標的定義
熱偶溫度計 (thermocouple) -240 ° C– 2700 °C
Bimetallic strip and Optical pyrometer
熱（heat）的定義和單位 Heat is the energy that is transferred between a system and its environment because of a temperature difference that exists between them J = Joule（焦耳） Cal = calorie（卡洛里） Btu = British Thermal Unit
例一 A candy bar 350大卡 供100W燈泡使用4.1h 慢跑3 ~ 4mi
7.2 熱膨脹
Bimetallic strip switch
線膨脹與體膨脹
例二 熱應力 (Thermal stress)
例三 Delivering diesel oil from Las Vegas to Payson 9785 gal, temperature difference 41°F = 9.510-4/C ° - diesel fuel = 11 10-6/C ° - steel tank
例四 水的 ”熱漲冷縮”
7.3 相變化（phase changes） 固態 –> 液態 –> 氣態 –> 電漿態 固態 –> 液態 –> 氣態 –> 電漿態 -----------------溫度上升--------------> solid liquid vapor plasma (冰) (水) (水蒸氣) (H、O、e)
Phase diagram of water 水在一大氣壓下，以恆定率加熱時，其溫度隨時間之變化。
比熱和潛熱 比熱（specific heat capacity）：使每公斤物質溫度上升1K或1℃所需之熱。 潛熱（latent heat）：相變化中，每公斤物質所吸收或釋出之熱。
潛熱表
例五 使-5℃，5公斤的冰塊變成150℃的水蒸氣所需的熱量Q
7.4 熱傳遞（Heat transfer） 傳導（conduction） 對流（convection） 輻射（Radiation）
傳導（conduction） H（Heat flow熱流）= KA T /L K：導熱率 A：截面積 T：溫差 L ：長度
R-value R．30 insulating slab 5.1 in PU foam 23 in white pine 18 in glass 1.4 mi silver R=L/k –> H = A T /R
導熱率
例六 人體組織的熱傳導 人以普通速度步行時，產生之熱流 為280W 人體表面積約1.5m2，且平均而言，熱係於皮膚之下0.03m處產生 導熱率則約與動物肌肉相同，為 0.2 W/mK
熱流 皮膚與體內之溫差僅數度，因此熱並非經由組織之傳導，而係經由血液輸送。
對流（convection）
例七 暖氣與冰箱
例八 forced convection
例九 Sauna 皮膚溫度 = 33℃，室溫 = 29℃ 人體表面積 = 1.5m2 此人所產生之熱流約為2倍；另一半藉由輻射散失。
輻射（Radiation） 良輻射體亦為良吸收體 Stefan-Boltzmann Law 輻射功率 H = eAT4 e：輻射率 0 ≦ e ≦ 1 e = 1－完美輻射體(吸收體)－black body 光亮表面之e則極小
例十 人體的輻射 人體在紅外線波長範圍e ~1 人體在可見光波長範圍e = 0.82~0.65 皮膚溫度33℃ = 306K
例十一獵戶座的紅巨星 Betelgeuse 表面溫度2900 K，輻射功率4 ×1030 （太陽的一半） （太陽的10000倍） 火星軌道半徑
例十二 Hubble 望遠鏡的溫度調節設計 軌道衛星之日照被地球屏蔽時，其溫度與未被屏蔽時，有極大差異。 衛星表面的高反射金屬膜在日照下，可反射大部分來自太陽的輻射，把溫昇降至最低；而當其在地球陰影內時，亦可降低本身輻射之熱損耗。（poor absorber = poor emitter） Launched in 1990 and greatly extended in its scientific powers through new instrumentation installed during four servicing missions with the Space Shuttle, the Hubble, in its sixteen years of operations, has validated Lyman Spitzer Jr.'s (1914-1997) original concept of a diversely instrumented observatory orbiting far above the distorting effects of the Earth’s atmosphere and returning data of unique scientific value. Hubble's coverage of light of different colors (its "spectral range") extends from the ultraviolet, through the visible (to which our eyes are sensitive), and into the near-infrared. Hubble's primary mirror is 2.4 meters (94.5 inches) in diameter. Hubble is not large by ground-based standards but it achieves heroically in space. Hubble orbits Earth every 97 minutes, 575 kilometers (360 miles) above the Earth's surface.
例十三 太陽能熱水器 收集器內部，包括水管均漆有高吸收黑漆，提昇其對太陽輻射之吸收。 水管以銅製，提昇水管水的熱傳導。 收集器之玻璃蓋降低因空氣對流之熱損耗。
例十四輻射與動物的活動－狐猿（lemur）
例十五紅外線照相能源分析（thermogram）
機械 Convection Radiation Thermogram
醫學、環境
7.5 氣體動力論 Kinetic Theory of Gases 氣體的狀態方程式 （equation of state） 氣體分子的速率
氣體的狀態方程式 Kinetic Theory of Gases 氣體的狀態方程式 PV = nRT –> P = nRT /V + C/V2 …… P：壓力 V：體積 n：莫耳數（mole） T：溫度 R：氣體常數 = 8.31
例十六 1 mole氣體的體積 STP: Standard Temperature and Pressure Conditions –> 0℃（273K） 1 atm = 1.013105Pa (N/m2)
mole and NA Avogadro’s number 1 mole 物質，包含N = 6.022 ×1023個原子
例十七 Hope Diamond 112 3/16 - carat Golconda, India Smithsonian
例十八 Rosser Reeves Ruby Sri Lanka Smithsonian 1 mole of Al2O3 = 2(26.9815g)＋ 3(15.9994g) =101.9612g
氣體分子的速率 Maxwell’s speed distribution
不同溫度時之速率分布
例十九 Maxwell’s speed distribution (a) The average speed (b) The root-mean-square speed (c) The most probable speed
方均根速率
7.5 引擎與致冷機 引擎的效率 致冷機的效能係數
引擎
Stirling Engine
引擎的效率 efficiency = = 一般摩托車之效率22﹪，所做功為2510 J，則廢熱Q為
致冷機
致冷機的效能係數 coeficient of performance K =
例二十 家用冰箱 K = 4.7，Q = 250 J（每循環） 電功 廢熱
Entropy 熵 Some one-way processes
敬請期待 電、磁、近代物理