熱傳播與熱膨脹

文/簡麗賢  |2022.11.16
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圖/米各

文/簡麗賢 

一戶人家邀親友到家裡品茶論茗,敘舊聊新,竟發生落地窗玻璃整片爆裂。記者報導當時嚴寒冬天,門窗緊閉,屋內溫度高,屋外溫度低,熱量從高溫傳導至低溫,這片落地窗玻璃製造時結構可能不均勻,造成玻璃熱傳導不一,才出現驚險爆裂畫面。還有酷暑極端高溫導致火車因鐵軌熱膨脹造成出軌事故。

上述新聞報導與分析,涉及熱與溫度的科學概念,談的是熱傳播和熱膨脹,事實上生活處處是熱傳播和熱膨脹的現象。熱與溫度是我們日常生活朗朗上口耳熟能詳的名詞,也知道冷熱不同的物體互相接觸,熱的會變冷,冷的會變熱,依據物理學定義,接觸一段時間後,冷熱程度一致,達成熱平衡,在熱平衡狀態的物體,具有相同的溫度;冷、熱不同的物體接觸時,熱由高溫流向低溫,當兩物體溫度相等時,達成熱平衡。

傳播比熱  質量無關

冷熱能夠產生明顯反應的材料,皆適合做為溫度計。例如,水銀受熱容易膨脹,可以做成水銀溫度計;鉑的電阻容易受溫度影響,適合做成電阻溫度計。透過溫度計量測物體或環境的溫度,提供我們判斷物體內部細微的狀況,例如身體或環境的狀況變化,更符合科學依據。

對於不同材質而言,例如金、銀、銅、鐵、鋁、水、木頭、玻璃等材質,專有名詞「比熱」是物質的基本特性之一,只與物體的材質有關,而與質量無關。然而,對材質相同但質量不同的兩物體而言,要產生相同的溫度差異,需要的熱與其質量有關。

有一種高分子凝膠,比熱高於水很多,很適合做成冰袋。由於它的比熱很大,要改變它的溫度需要大量的熱流進或流出。因此要讓這種冰袋在冰箱裡結凍,需要花費較長的時間。相對的概念,將這種結凍後的冰袋放在野餐桶裡,可提供比

冰塊更持久的效果,讓桶裡的

飲料一整天都能保持冰涼。

受熱膨脹  溫度正比

一般的物質,不論是固態、液態或氣態,受熱後體積會膨脹,溫度降低則收縮,這是我們朗朗上口的「熱脹冷縮」。然而,也有特殊案例,水結成冰之後,在某一種情況,體積反而膨脹,質量不變的情況,密度卻降低,因此冰塊浮在水面上。以下來討論一下金屬條受熱後,長度將如何改變。

金屬鐵條的長度會因溫度升高時略微增長。依據實驗分析,長度的變化量隨溫度增加量而變大;此外,原來的鐵條長度愈長,長度改變量也愈多。同樣升高溫度1℃,原來長度2公尺的鐵條的伸長量是原長1公尺的兩倍。因此鐵條長度的變化量,除了與溫度變化量成正比外,還與鐵條原來的長度成正比,這好比在銀行的存款利息和本金及利率有關,本金愈多,定期存款的利息愈多;利率愈高,利息也愈多。

討論物質的熱膨脹程度,就來介紹專有名詞「膨脹係數」吧,根據金屬的線膨脹係數,可估算火車的鋼軌,若在10℃時為30公尺長,那鋼軌溫度為80℃時伸長約2公分。鋼軌之間若沒預留足夠空隙,在炎炎夏日高溫酷熱的環境下,就易造成軌道擠壓變形的危機。一般的橋梁結構會預留接縫,就是為了避免大熱天時因熱脹造成變形。

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