熱物理講解課件Whyareblackrobesworninextremelyhotclimates?黑袍下的秘密熱物理(ThermalPhysics)溫度與熱熱膨脹相變化（phasechanges）熱傳遞（Heattransfer）氣體動力論（KineticTheoryofgases）引擎與冷凍機7.1溫度與熱TheCelsiusandFahrenheittemperaturescales

TF=(9/5)TC+32°

KelvinScale

TC=T–273.15°T3=273.16K

triplepoint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BimetallicstripOpticalpyrometer定容氣體溫度計凱氏溫標的定義熱偶溫度計(thermocouple)-240°C–2700°CBimetallicstripandOpticalpyrometer熱（heat）的定義和單位

J=Joule（焦耳）Cal=calorie（卡洛里）Btu=BritishThermalUnit

Heatistheenergythatistransferredbetweenasystemanditsenvironmentbecauseofatemperaturedifferencethatexistsbetweenthem例一

Acandybar350大卡供100W燈泡使用4.1h慢跑3~4mi

7.2熱膨脹

Bimetallicstripswitch線膨脹與體膨脹例二熱應力

(Thermalstress)例三

Deliveringdieseloilfrom

LasVegastoPayson9785gal,temperaturedifference41°F=9.510-4/C°-dieselfuel=1110-6/C°-steeltank例四水的”熱漲冷縮”

7.3相變化（phasechanges）固態(tài)

–>

液態(tài)

–>氣態(tài)

–>電漿態(tài)-----------------溫度上升-------------->solidliquidvaporplasma(冰)(水)(水蒸氣)(H、O、e)Phasediagramofwater

水在一大氣壓下，以恒定率加熱時，其溫度隨時間之變化。

比熱和潛熱比熱（specificheat

capacity）：使每公斤物質(zhì)溫度上升1K或1℃所需之熱。潛熱（latentheat）：相變化中，每公斤物質(zhì)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（Heattransfer）

傳導（conduction）對流（convection）輻射（Radiation）傳導（conduction）

H（Heatflow熱流）=KA

T/LK：導熱率A：截面積

T：溫差L：長度R-valueR．30insulatingslab5.1inPUfoam23inwhitepine18inglass1.4misilverR=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(chǎn)生之熱流為280W人體表面積約1.5m2，且平均而言，熱系于皮膚之下0.03m處產(chǎn)生導熱率則約與動物肌肉相同，為

0.2W/mK熱流皮膚與體內(nèi)之溫差僅數(shù)度，因此熱并非經(jīng)由組織之傳導，而系經(jīng)由血液輸送。對流（convection）

例七暖氣與冰箱

例八forcedconvection

例九

Sauna皮膚溫度=33℃，室溫=29℃人體表面積=1.5m2

此人所產(chǎn)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-BoltzmannLaw輻射功率H=eAT4e：輻射率0≦e≦1e=1－完美輻射體(吸收體)－blackbody光亮表面之e則極小例十

人體的輻射人體在紅外線波長范圍e~1人體在可見光波長范圍e=0.82~0.65皮膚溫度33℃=306K室內(nèi)墻壁溫度29℃=302K例十一獵戶座的紅巨星

Betelgeuse

表面溫度2900K，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(diào)節(jié)設計

軌道衛(wèi)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(wèi)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，把溫升降至最低；而當其在地球陰影內(nèi)時，亦可降低本身輻射之熱損耗。（poorabsorber=pooremitter）

例十三太陽能熱水器

收集器內(nèi)部，包括水管均漆有高吸收黑漆，提升其對太陽輻射之吸收。水管以銅制，提升水管水的熱傳導。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）

Convection

RadiationThermogram機械醫(yī)學、環(huán)境7.5氣體動力論

KineticTheoryofGases氣體的狀態(tài)方程式（equationofstate）氣體分子的速率氣體的狀態(tài)方程式KineticTheoryofGases氣體的狀態(tài)方程式PV=nRT–>P=nRT/V+C/V2……P：壓力V：體積n：莫耳數(shù)（mole）T：溫度R：氣體常數(shù)=8.31例十六1mole氣體的體積STP:StandardTemperatureandPressureConditions–>0℃（273K）1atm=1.013105Pa(N/m2)moleandNA

Avogadro’snumber1mole物質(zhì)，包含N=6.022×1023個原子例十七HopeDiamond1123/16-caratGolconda,IndiaSmithsonian例十八RosserReevesRubySriLankaSmithsonian1moleofAl2O3=2(26.9815g)＋

3(15.9994g)=101.9612g

氣體分子的速率

Maxwell’sspeeddistribution不同溫度時之速率分布例十九

Maxwell’sspeeddistribution

(a)

Theaveragespeed(b)

Theroot-mean-squarespeed(c)

Themostprobablespeed方均根速率7.5引擎與致冷機

引擎的效率致冷機的效能系數(shù)

引擎StirlingEngine引擎的效率

efficiency

=