生活中的熱學

生活中的熱學

年度

小組組成



2018 10級 溫于甯  10級 蔡昱均
11級 王筱如 11級 吳東欣
2017

09級 李杰翰 09級 吳育賢

10級 溫于甯 10級 蔡昱均

 

2016

08級 林育仲  08級 林家暉
09級 吳育賢  09級 李杰翰



2015

07級 顏伯翰  07級 劉家昇
08級 林育仲
  08級 林家暉
2014

06級 周忠興  06級 吳彥廷  
07級 吳炘祐  07級 林昀萱


2013

05級 林冠廷  05級 何韋言
06級 周忠興  06級 吳彥廷


2012

04級 宋威錡  04級 林志陽  04級 張至瑩   
05級 李家豪  05級 葉柏廷

 
2011

03級 張博智  03級 劉建利
04級 吳政育  04級 徐靖展

 
2010

02級 郭孟學  02級 陳慶紘
03級 高茂富  03級 魏伯原

 

2009
01級 王聖元 01級  李彥融
02級 陳慶紘 02級  李佳豪

 
2008

00級 何政翰  00級 張育豪  00級 林郁馨 
01級 鄭智仁  01級 胡城毓

 

2007

99級 高也鈞  99級 劉冠顯 

00級 何政翰  00級 劉仲凱

中山大學物理系 物理週演示實驗

 

大綱(Outlines):

 

 1.中英文簡介

 2.實驗原理

 3.演示項目

 4.相關影片連結

 5.歷年演示影片

 6.家中小實驗

 7.新鮮人創意實驗

 8.問題與討論

 9.相關英文字彙

10.參考資料

11.其他

 

 

 

 


1.中英文簡介(
Introduction)

    生活中有許多電器用品,我們常常使用它,但是其實我們並不了解它,尤其是有關熱的日常用品更是生活中不可或缺的。不過其實生活中常見的電器的工作原理都並不困難,這裡就來介紹一些生活中常見的關於熱的家電,以及它們的原理,利用物理方面的解說使我們可以更加了解它們的構造以及所蘊含的物理意義。

      Do you know the reason why can the switch of the electric rice cooker jump up when the rice been cooked? Do you know how do the air-conditioner work or do you wonder the principle of the hair dryer? There are many home appliances are operated by "thermodynamic in physic". Thus, no thermodynamic, no daily life. If you want to understand your life, just read on!

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2.實驗原理(Physics Principles)

  2-1吹風機的原理

 2-2熱水瓶(電茶壺)的原理

  2-3隔熱杯套的原理

  2-4電鍋的原理

  2-5電子鍋的原理

  2-6冷氣機的原理

  2-7黑晶爐的原理

  2-8熱導管的原理

  2-9壓縮打火機的原理

  2-10電腦的散熱原理

  2-11熱幫浦

  2-12熱機冷機

  名詞解釋

  附錄

2-1吹風機的原理


 
  吹風機是由一個馬達風扇串聯一個螺旋狀的電阻和一個雙金屬片(或是溫度保險絲)跟風扇所構成的。當我們啟動開關時,電流會通過螺旋狀電阻,電阻會因為電流熱效應開始加熱,同時電流通過馬達風扇,使馬達開始轉動,風經過螺旋狀的電阻會變成熱風,我們就是利用此熱風來吹乾頭髮。而吹風可以產生冷風的是因為,此時電流經過另外一個沒有通過螺旋狀電阻的路徑,直接由風扇吹出。

       (雙金屬片)         (溫度保險絲)     

          

               (螺形電阻生熱)

2-2電熱水瓶(電茶壺)的原理

    當我們將熱水瓶拆開時,可以看到內部是由不袗加熱器和一個塑膠瓶,還有一個金屬片全開關所構成的,當我們把瓶子裡面的水裝滿,並接上電源時,不袗加熱器就會因為電流熱效應而開始加熱冷水,而熱水瓶的斷電機制是由金屬片所控制的,當裡面的水達到沸騰時,隔在金屬壁的雙金屬片會因為熱膨脹而彈開,此時水已經沸騰了,且熱水瓶也會自動斷電。 

     (通路的時候)                    (斷路的時候)    

2-3隔熱杯套的原理

    隔熱杯套是在冬天喝熱飲時必備的小物品,但你是否有發現,杯子外面多套了一層紙板,就能使本來熱騰騰的飲料不燙傷我們的纖纖細手? 其中杯套的格紋狀空隙扮演了很重要的角色,能夠隔絕熱的傳導。隔熱杯套裡面設計的紋路會使得與外面接觸的接觸面積變小,而裡面的縫隙中包含了很多空氣,而空氣的導熱不好,可以降低熱傳導,進而得到保溫的效果。

   

    可以看出紋路中可以夾著空氣)         (隔熱紙板剖面圖)

2-4電鍋的原理

    熱學的物理與日常生活息息相關,而爐具更與食衣住行育樂當中的食有關,民與食為天,就可以知道熱學對生活的重要性。電鍋之所以可以煮飯,箇中玄機就在於機械底部的大電阻。而電子鍋 構造與電鍋略有不同,但這微小的差異卻造成了他們功能上很大的不同:電鍋煮食物有可能發生上面熟了下面卻不熟的問題。下圖為電鍋的運作原理



 
  電鍋的加熱是利用兩端突出的環形大電阻因電流的熱效應生熱,而烹煮方式是利用隔水加熱的方式外鍋加水,將食物煮熟,而加水的目的就是為了預防下面熟,上面不熟的情況發生,所以我們就利用水的對流使電鍋均勻加熱。而電鍋的斷電機制則靠一個鐵磁性物質的開關,當我們煮完飯時,鐵磁性物質的開關就達到居禮溫度*詳見附錄*而失去磁性和重力的影響而自動彈開,而外邊還利用雙金屬片的熱膨脹係數不一樣來增加達到溫度的彈力,此斷電機制可以保護我們的電鍋,同時也保障我的安全,而每種磁性物質的居禮溫度不盡相同,如何挑選適當的材質來當作我們電鍋的安全機制,是個重要的關鍵。 

    

(通路的時候,鐵磁性物質的開關形成通路,使電鍋可以加熱。)

    

(斷路的時候,鐵磁性物質的開關達居禮溫度而形成斷路。)

 

2-5電子鍋的原理

    電子鍋可以克服電鍋上面熟下面不熟的問題。而電子鍋裡面更設計了能夠保持食物溫度的電路,和防止發生像電鍋空燒這種危險事故的防範措施。到底是什麼樣的原理讓電鍋跟電子鍋有這樣的功能呢? 下圖是電子鍋的儀器內部圖和圖解圖。

下面實驗原理是詳細的介紹。

 
  電子鍋是利用直接加熱的方式將食物煮熟,電流經過內鍋進行全面性的加熱,比較不會有下面熟,上面不熟的情況發生,也不用隔水加熱,而它的斷電機制也是利用居禮溫度和地心引力的原理彈開電路,而當加熱電路形成斷 路時,會開啟保溫的電路,覆蓋電鍋上面的隱形線圈就開始保溫。而電子鍋還有一個特點是可以加壓,由 PV=nRT 可得知,鍋內體積固定,鍋內壓力上升,食物的沸點會提高,使食物更快煮熟,而電鍋的鍋蓋沒有封住,所以沒有這個效果。電子鍋還有一安全機制,要放入內鍋才可以啟動,此裝置可以避免忘記放入內鍋,而造成空燒的危機。

        (本圖可以看到內部的安全機制按鈕。)

 2-6冷氣機的原理

    炎炎夏日,沒有冷氣機怎麼行呢?讓我們來看一下冷氣機的構造吧!冷氣機裡存在著重要的冷媒,冷氣機裡其他的機械都是為了冷媒的運作而存在的,冷媒在經歷相態轉換(吸熱散熱)的過程達到冷房效果。
 

1.那冷煤是什麼呢?
冷煤是一種不會在室溫中融化的化合物:這個概念其實很簡單,因為我們在使用冷氣機時,會需
要冷煤的協助,如果冷媒會在室溫中融化或消失,那麼冷氣機就會壞掉了。且冷媒不會與地面空氣反應:因為早期的冷媒是利用氨氣或是氯氣,這對人體是有毒的。之後有發明出氟氯碳化物之後我們就免於冷媒中毒。但卻破壞了大氣層。
 

2.為什麼要將冷媒放入冷氣機?
冷氣機的所有機器都是為了讓冷媒達到某種狀態而存在,原因是冷媒的「相態轉換」速度在某種
特殊狀態下會進行的非常快速,這個狀態就是低壓液態。
 

3.相態轉換是什麼?
舉例來說,冰變成水,水變成水蒸氣這個過程都叫做相態轉換。相態轉換的條件:必須要和周圍
的環境做熱交換。為什麼水不會立刻沸騰變成水蒸氣?原因是水吸熱的速度不夠快。然而,冷煤就不同了,一但冷媒處在低壓液態的 狀態,他會瞬間吸熱變成氣態。

結論:
以上的相態轉換,是冷氣冷房的關鍵。

低壓液態的冷媒:
1.相態轉換的速度快
2.相態轉換的中間過程吸熱非常多,可以把環境的熱吸走使環境瞬間降溫。

名詞解釋:
1.compressor壓縮機:轉變成高壓液態。
2.condention冷凝器:轉變成液態。
3.expansion膨脹伐:轉變成低壓氣態。(達到目的)

冷暖氣機的EER

當大家想購買冷氣機時總是會注意一下品牌、規格等等......有時候在冷暖氣機上總會看到EER值,EER值是什麼 呢?Energy Efficiency Ratio簡寫即為EER,也就是能源效率比值,而所謂的能源效率比值就是冷房能力/耗電能力。那讓我們來介紹一下什麼是冷房能力與耗電能力吧。

首先什麼是冷房能力呢?

所謂的冷房能力簡單來說就是單位時間內可以 移走多少熱量的意思,他的單位是kcal/hr或是W。而耗電能力的單位是W,他的意思也就是單位時間內需要消耗多少電量。因此把上面兩個數值相除冷房能力/耗電能力就是EER值,比較常見的單位有 (kcal/hr) / (kw)或是(kw) / (kw) 那暖氣機的EER值,換言之就是單位時間可以提供多少暖房能力/耗電能力,單位和冷氣的EER值相同。


 

2-7黑晶爐的原理

    黑晶爐其實說穿了就是用一種叫做鹵素燈的燈具來加熱,這種燈具跟我們再看表演的時候會看到的燈具其實差不多喔。他是利用燈泡會發出熱量來把食物煮熟,就像冬天會用到的暖具一樣會發出大量的熱量。

    市面上販賣的加熱用爐具有很多種,而黑晶爐就是一種加熱用的爐具 ,這個爐具有下列幾項特點:其一、黑晶爐是耗電的爐具,但是跟電磁爐比較起來他發出的電磁波較低。其二、他是使用鹵素燈來加熱,加熱的速度很快,能精準地控制火力。其三、使用這個爐具並不挑鍋,任何的鍋子都能使用。

    黑晶爐加熱的是一個叫做鹵素燈的加熱源。原理是這樣的:鹵素燈充有鹵族元素氣體,當燈絲發熱時,鎢原子被蒸發並向管壁方向移動,與鹵素原子形成鹵化鎢。鹵化鎢因熱流向玻璃管中央,又重新回到被氧化的燈絲上,由於鹵化鎢很不穩定,其遇熱又會分解成鹵素蒸氣和鎢,鎢在燈絲上沉積下來,彌補被蒸發掉的部分。我們都知道這時一個節能的時代,雖然說黑晶爐不挑鍋,但我們可以藉由挑選黑色的鍋子來減少能量的消耗。因為鹵素燈發出“紅外線”的輻射熱,而黑色是最為能吸收輻射的顏色。以下是黑晶爐的原理圖

 

一般來說白熾燈泡製作方便但是壽命較短,但是鹵素燈泡由於鹵素氣體可以回收鎢原子回鎢絲上因此壽命較長。

2-8熱導管的原理

    熱導管有冷端及熱端,其內部有水,當水在熱端汽化並將熱傳至冷端而這時水蒸氣會在冷端凝結之後落回熱端,熱導管就是利用氣液兩相變化的原理,使流體在管內對流循環,達到導熱的效果。而為了使水更容易氣化,我們必須將管內的氣壓減小,因為水的氣壓變小,沸點也就更著降低,我們要把壓力降到沸點可以用手溫(37 就可達到沸騰的壓力。

      

   圖一                   圖二

圖一 熱導管裡面裝了大約5毫升的水

圖二 是熱導管跟針筒,針統的目的是為了抽氣,在使得熱導管的壓力變低

    電腦的散熱館跟這個原理相同電腦中一樣是散熱利器的熱導管,熱導管是一個密閉抽真空的管狀容器,通常為長條管的型態,容器內裝有少許的液體。最常見的熱導管就是純的無氧銅管!而熱導管最常用的工作流體是甚麼呢?是甚麼昂貴或是化學結構極度複雜的高級液體嗎?其實不是,熱導管中最常用的工作流體是一般常見的水!因為它能與毛細結構適切搭配,且黏滯係數低,使得毛細回流的速度快,如此可更快完成循環,提升散熱效率。

   

    圖三(熱導管內部實際圖)       圖四(熱導管內部循環圖)

 

    圖五(常見熱導管形狀)               圖六(主機上的熱導管)

 2-9壓縮打火機的原理 

    壓縮式打火機,他能夠將我們手所產生的力學能轉換成熱能,而其中就是透過空氣的特性,當打火機內部壓力上升時,氣體溫度就會變高,就能讓內部的火星達到足夠的溫度燒起來。想知道詳細的原理嗎?那就看下去吧!


 
  壓縮打火機也稱作飯田式打火機,其原理是熱力學的第一定律系統內能的增加加入系統的熱對系統所做的功,使用方法是將拉桿拉至最高處,然後再把它大力的往下壓,使得活塞壓縮圓筒內的氣體,空氣瞬間被壓縮時溫度升高,使管內紙張燃燒來達到點火的目的,壓縮打火機證明了氣體的絕熱壓縮,使得機械能轉為內能。 

 

2-10電腦的散熱原理

    我們現在幾乎每天都在用電腦,每次電腦玩到一半當機一定很令人 感到厭煩吧!其實電腦會當機主要是為了保護電腦的精密元件!下面的原理將會介紹電腦是怎麼散熱唷!在一般情況下,電腦系統溫度在超過70°C後,每攀升10°C將導致CPU與零件壽命減少;而當電腦平均溫度達到105°C時,電感及電晶體可能會燒壞或無法運作。

  (燒壞的電晶體)           (電腦內部空氣循環圖)
 

    而電腦是怎麼散熱的呢?其實電腦散熱的方式主要可分為散熱片、熱導管、風扇與水冷四種。電腦溫度中最高的當然是我們最常聽到的CPU跟顯示卡啦!電腦在正常使用下,各零件溫度約會比室溫高約10度左右,而CPU通會再高上幾度。但若當我們開啟一些較耗系統資源的程式時,CPU與顯示卡都有可能會上升到70-80度,這種情況都算是常見的。而經實驗顯示,當我們清除裡面的灰塵,卡滿灰塵的散熱器散熱效果跟正常乾淨的散熱器溫度相差居然達到30度之多!我們要盡可能降低進風口溫度,像是吹冷氣等等。電腦可是比人更怕熱的喔!

    

2-11熱幫浦

熱幫浦

什麼是熱幫浦呢?熱幫補又被稱為熱磊,英文為(Heat Pump)我們來舉的簡單的例子將水由A處送往B處我們稱之為水幫浦,如果溫度不相同的話熱就會有傳遞的現象,因此最簡單常見且簡單的例子 就是冷氣機。所謂的冷氣機就是利用壓縮機以及散熱器,將室內的熱能排往戶外,來達到降溫的效果。因此熱幫浦主要的原理為利用低沸點的液體,在節流閥中減壓變成氣體以後,對外界吸收熱量,在經由壓縮機增壓且溫度上升對外界放出熱量後,在冷凝器中變為液體,一直持續這個循環,如此一來即可以將熱量由低溫帶往高溫。

2-12熱機冷機

熱機冷機原理

相信學過熱學的人,對於熱機與冷機這兩個名詞一定不陌生。

那什麼是熱機什麼是冷機呢?我們先來介紹熱機熱機最主要的原理,就是將熱源所提供的熱能一部份,轉換為對外輸出的功或機械能。如下圖

由上圖可看到,所謂的熱機即為由TH(熱庫)我們所提供的熱源,供應出能量變成機械能對外做功(W),使其機器運轉,剩餘的熱量會到TL(冷庫),成為無法再利用的熱量變成廢熱。而所謂的冷機即為將冷庫的熱量,用作功的方式傳達到熱庫。如下圖

由上圖可看到,所謂的冷機即為利用我們所做的功(W)TL(冷庫)熱量傳達到TH(熱庫)

熱機效率、冷機效能

說到熱機以及冷機,我們也當然有要知如何計算他們之間的效率,我們先談談熱機,所謂熱機效率我們定義為熱能轉換為功的效率比,也有人稱為卡諾效率 ,如圖

我們將公式定義為

W=輸入的熱能-剩下的熱能=QinQout因此又可寫成1Qout/Qin

此為熱機效率的計算方式,而冷機效能即為供熱設備或製冷設備的的效能,我們又可以稱為性能係數coefficient of performance(COP),如圖

我們將公式定義為

此即為冷機效能的計算方式

熱機冷機常見例子

在我們的生活中熱機與冷機的例子其實無所不在

有關熱機例如:汽車引擎、機車引擎

有關冷機例如:冷氣機、熱幫浦式熱水器

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3.演示項目(Demonstration of Experiments)
*請勿在家做危險的實驗(Please do not do the dangerous experiments in your home)*

3-1. 經典演示項目(這是每年一定要演示的重要項目)

a.冷氣的實驗

    下面這張圖是冷氣的運作原理。壓縮機的工作是把氣體施加壓力形成液體;膨脹閥的工作原理是將液態的冷媒通過窄的閥門,因為其通過閥門時壓力突然驟降,液體瞬間揮發成氣態,在液體變成氣體的過程吸收了大量的熱量,形成低溫的氣態冷媒。風口和冷氣機外部的散熱片是一樣的構造,都是利用很多片金屬片增加與空氣接觸的面積,來增加熱交換的效率。


                (冷氣內部構造)

b.吹風機的實驗

       ※將吹風機拆解開來並運轉有一定的危險,請不要在家演示

將吹風機拆開後,可以看到許多螺線型的金屬絲,當我們開啟吹風機時,金屬線會發熱並且變成火紅色,原理就是電阻熱效應,當電流通過電阻大的東西時,對產生大量的熱量。
※在家請不要進行本實驗,本實驗溫度很高,有一定的危險性!

c.隔熱杯套的實驗

    隔熱杯套凹凸的紋路使其有許多空隙,讓熱要傳導出來時會遇到空 氣,空氣是導熱不好的東西,所以就沒辦法將熱導到手中了。其實棉被、羽絨衣,也是用一樣的原理喔。

d.壓縮式打火機的實驗

    我們在使用的時候將桿子瞬間下壓,由於壓縮的時間很短,空氣的熱量不會喪失到外界,系統內瞬間被壓縮時溫度升高,使管內紙張燃燒來達到點火的目的。

e.熱導管的實驗

    如果今天去爬山,在山上煮水,並在裡面放一支溫度計,可以發現水沸騰時的溫度並不是100度,那是因為在高山上氣壓比較低,水沸騰的溫度下降了。

    熱導管也是用同樣的原理,搭配針筒和三向閥我們把館內的氣壓降得很低,降低到用手掌的溫度就可以讓水沸騰了。

    不只是自製的熱導管,還有電腦的熱導管可以帶著演示!

 

f.電鍋的原理:

    電鍋的加熱是利用兩端突出的環形大電阻因電流的熱效應生熱,而烹煮方式是利用隔水加熱的方式(外鍋加水),將食物煮熟,而加水的目的就是為了預防下面熟,上面不熟的情況發生,所以我們就利用水的對流使電鍋均勻加熱。而電鍋的斷電機制則靠一個鐵磁性物質的開關,當我們煮完飯時,鐵磁性物質的開關就達到居禮溫度而失去磁性和重力的影響而自動彈開,而外邊還利用雙金屬片的熱膨脹係數不一樣來增加達到溫度的彈力,此斷電機制可以保護我們的電鍋,同時也保障我的安全,而每種磁性物質的居禮溫度不盡相同,如何挑選適當的材質來當作我們電鍋的安全機制,是個重要的關鍵。 
 
   
 
g.電子鍋的原理:

    電子鍋是利用直接加熱的方式將食物煮熟,電流經過內鍋進行全面性的加熱,比較不會有下面熟,上面不熟的情況發生,也不用隔水加熱,而它的斷電機制也是利用居禮溫度和地心引力的原理彈開電路,而當加熱電路形成斷路時,會開啟保溫的電路,覆蓋電鍋上面的隱形線圈就開始保溫。而電子鍋還有一個特點是可以加壓,由PV=nRT可得知,鍋內體積固定,鍋內壓力上升,食物的沸點會提高,使食物更快煮熟,而電鍋的鍋蓋沒有封住,所以沒有這個效果。電子鍋還有一安全機制,要放入內鍋才可以啟動,此裝置可以避免忘記放入內鍋,而造成空燒的危機。

h.測量電鍋的居禮溫度

電鍋裡面的開關,當鍋子的溫度未達居禮溫度的時候,其開關會與電路形成通路,當利用電鍋的鐵磁性物質在加熱到達其居禮溫度過後,由鐵磁性轉化成順磁性,即會因為磁性減弱而彈開,變成斷路。
本次,我們利用噴槍在電鍋的底部進行加熱,透過紅外線測溫槍對準電鍋內部的鐵磁性物質,讀取鐵磁性物質的溫度,看他加熱到幾度時,開關會跳起,此時溫度即為居禮溫度

以下為實驗裝置圖


實驗圖:電鍋的底部,在溫度大約140~150度時,開關彈起,形成斷路。


實驗影片:(中山大學 物理系 106級 製作)

3-2. 歷年創新演示項目

a.2012實驗

我們所製作的是水冷式製冰盒

    水冷式製冰盒大致上可以分成:水的循環、致冷晶片、Power供電系統。水的循環就是把水一直輸入到系統 裡面,致冷晶片是利用Seebeck效應來提供致冷端,power供電系統則是提供晶片所需的電力。

1.系統外觀

 

2.供電的POWER

3.致冷端

以下是我們的測試影片網址:
   

 

b.2011實驗

電腦的散熱

    電腦如果太熱的話就會當機,那電腦是如何散熱的。電腦是用風扇來把主機殼裡面的熱氣吹到外面。另一個就是用熱導管,熱導管也就是剛剛在上面提到的那種熱導管的實際應用,由於在管子裡面壓力很低,水受到一點熱就會沸騰了,藉由水的沸騰和凝結,把主機裡的熱量帶走。就像在夏天的時候如果拿毛巾擦身體,水會把熱帶走,讓身體涼涼的一樣。第三個是散熱鰭片,就是用金屬做成一片一片的東西,藉由增加跟空氣接觸的面積,讓熱交換進行的更有效率。

 

c.2010實驗

1.三種杯子的隔熱效果 :
  保溫效果比較:鋼杯、保麗龍杯、隔熱杯
  實驗方法 在三種杯子內裝入熱水,靜待10分鐘後用溫度計去測量
  三種杯子裡面的溫度,即可知道哪一種杯子的保溫效果最好
  鋼杯   74.5度→65.1度 (10分鐘後)
  保麗龍杯 75.6度→61.8度 (10分鐘後)
  隔熱杯  73.1度→58.0度 (10分鐘後)
    保溫效果排名 鋼杯>保利龍杯>隔熱杯
 

2.硬幣比熱:
實驗儀器:冷水、熱水、10個十元硬幣、溫度計、卡計
a.首先需要測量卡計的熱容量
(1)先將鋼杯放在桌上
(2)先將100毫升之冷水倒入鋼杯中
(3)再把100毫升的熱水倒入鋼杯中
(4)已知水的比熱為1
(5)即可求出卡計(鋼杯)的熱容量
H=m s △T
放出的熱量等於吸收的熱量
m熱水 s水 t(熱水-末溫) = m冷水 s水 t(末溫-冷水) + c卡計熱容量 t(末溫-卡計初溫)
其他條件都為已知,這樣我們就可以算出C卡計熱容量


b.知道卡計的熱容量之後,我們就可以算出硬幣的比熱了
(1)先將鋼杯放在桌上
(2)將10個10元硬幣放入鋼杯中
(3)先將100毫升之冷水倒入鋼杯中
(4)再把100毫升的熱水倒入鋼杯中
(5)已知水的比熱與卡計的熱容量就可以得到硬幣的比熱了
10元硬幣的組成:75%銅25%鎳
銅 0.0919 cal/g 0C
鎳 0.105cal/g℃
可推測出10元硬幣比熱為約為0.095cal/g
鋼杯算出來的比熱0.252
隔熱杯算出來的比熱0.146
保麗龍算出來的比熱0.107
 

Q:為什麼鋼杯隔熱效果最好 反而誤差最大?
 

A:我們推測理想卡計應該是盡量不吸收熱量,鋼杯雖然隔熱效果最好,但是他導熱傳導的速度也

是最快的,所以這三種材質最適合當作卡計的是保麗龍杯,保溫效果最好的是鋼杯,紙杯則介於

其中間 
 

3.燈泡發光效率:

  
實驗步驟:
(1)將約150CC的水加入保溫杯中.並測量室溫
(2)將燈泡座及蓋子蓋上.並接上熱電偶
(3)將電源插入.燈泡開始發光
(4)利用三用電表量測電壓.
(5)利用三用電表監測燈泡電阻
(6)加熱持續5分鐘後.拔離電源.測量末溫
(7)加入墨水.重複上述步驟
(8)計算發光效率
(註):發光效率計算
(水散失的能量-墨汁散失的能量)*100%=燈泡發光效率
 

a.實驗一(加水)
電壓:116V 電阻:320歐姆 電流0.3625A 
起始溫度:27度 最高溫度:43度 時間:300秒
總輸出熱能為VI*T= 0.3625X116X300=12615(J)
卡計吸收的熱量=mst=120x1x16(℃)=1920(J)
散失的熱量=(12615-1920/12615)=84.78%
 

b.實驗二(水加墨汁)
電壓:116V 電阻:350歐姆 電流0.3314A 
起始溫度:25度 最高溫度:44度 時間:300秒
總輸出熱能為VI*T= 0.3314X116X300=11533(J)
卡計吸收的熱量=mst=120x1x19(℃)=2280(J)
散失的熱量=(8632.9-2040/8632.9=80.23%
84.78%-80.23%=4.55%
根據資料顯示大部分白熾燈會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能,只少於10%的能量會成為光
4.55%<10%   
 

3-3. 跨主題演示項目

a.電鍋與物質的磁性

其實電鍋裡面學問是很大的喔。

    在加熱的時候,電鍋是利用電流熱效應來加熱食物,就像吹風機的原理一樣。另外電鍋煮好的時候跳起來的原因,則是利用磁鐵的鐵磁性值,磁鐵這種東西如果一直加熱的話,加熱到某一個溫度就會突然喪失磁性了,我們稱那個溫度為居禮溫度,這裡的內容跟物質的磁性相關。下圖是鐵磁性物質的磁性強度-加熱溫度/居禮溫度的圖,當加熱溫度越接近居禮溫度時,磁性會慢慢變弱,達到居禮溫度時則完全失去磁性。

下圖為電鍋裡面的開關,當鍋子的溫度未達居禮溫度的時候,磁鐵會如左圖吸附在電路上,以形成通路,並開始加熱;當溫度達到居禮溫度的時候,磁鐵就會如右圖失去磁性並彈開來,變成斷路並停止加熱。

          

未達到居禮溫度有磁性) (達到居禮溫度失去磁性)

    

b.黑晶爐的實驗

    黑晶爐加熱的源頭是裡面的鹵素燈絲加熱的,使用電磁波的輻射加熱 ,黑晶爐的面板,與生活中的電磁學有關。

黑晶爐的加熱原理是這樣的:


首先,鹵素燈裡面的燈絲通電流時會因電阻熱效應產生大量的熱。接著會以紅外線的方式輻射出去,再由爐具的面板來吸收紅外線,溫度進而上升。下圖是黑晶爐運作時的圖

※在家請不要進行本實驗,本實驗溫度很高,有一定的危險性!



我們在這裡稍微討論一下關於吸收紅外線的部分。
以溫室效應為例子好了,太陽放出大量的輻射到地球。

 

其中大氣層會反射一部份的輻射線,並吸收一部份的輻射線,而吸收輻射線後會以能量的形式保 存下 來,也就是為甚麼地球會越來越熱的原因。黑晶爐 也是因為紅外線加熱的!

黑晶爐的拆解圖如下。

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4.相關影片連結(Video Link)                                                                           
 

                        熱學 解說影片

       

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5.歷年演示影片(Annual Demonstration Movies)

 2014(中文講解影片)

 

 2014(英文講解影片)

 

 2013(中文講解影片)

 2013(英文講解影片)

2012 中文講解影片:   http://www.youtube.com/embed/axPOi4BBRto

2012 英文講解影片:   http://www.youtube.com/embed/TVXmAjtTDrU

2011 中文講解影片:   http://www.youtube.com/embed/2xHXQVOqbqI

2011 英文講解影片:   http://www.youtube.com/embed/UZQICck4Tb4

2010 中文講解影片:   http://www.youtube.com/embed/xiq7p0G3yBE

2009 中文講解影片:   http://www.youtube.com/embed/pJzdDmqOznQ

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6.家中小實驗(DIY Experiments)

我們要做的家中小實驗是,用低壓讓水在室溫中達到沸騰狀態

a.實驗原理

把針筒兩邊的空氣都拉起來,降低針筒內的壓力,根據PV=nRT,當壓力降低的時候,水的沸點就

會降低,就能達到在室溫中沸騰的現象。

b.需要的材料有

1.針筒X2:


2.十公分塑膠管:


c.實驗步驟

1.用針筒吸一點水

2.將零件如下圖組合在一起



3.兩邊都需要有人用力地往下拉,此時就能觀察到水有沸騰的現象!

演示影片如下:

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7.新鮮人創意實驗(Freshman's Innovation)


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8.問題與討論(Questions and discussions)

  01.吹風機切換冷熱風時功率相差多少?

  02.就安全性來說為何電子鍋比電鍋好?

  03.變頻冷氣和定頻冷氣何種適合於通風之空間?

  04.變頻冷氣為何一開始會以130%的功率運轉?

  05.電鍋跟電子鍋哪一種會造成下面熟上面沒熟的情況?

  06.熱水瓶為什麼達到沸騰會自動彈開?

  07.甚麼物質適合當電鍋的安圈開關?

  08.電鍋和電子鍋都是利用什麼原理加熱?

  09.變頻冷氣和定頻冷氣何種適合於密閉之空間?

  10.說明電子鍋和電鍋最大不同之處?

  11.黑晶爐加熱的原理和電磁爐有甚麼不一樣?

  12.在冷氣當中最重要的零件甚麼?

  13.熱導管內部的水為什麼用手碰觸就能夠沸騰?

  14.為什麼壓縮式打火機能夠讓裡面的棉花起火燃燒?

  15.鹵素燈泡跟傳統鎢絲燈泡的差別是甚麼?

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9.相關英文字彙(English Vocabulary)

01、James Prescott Joule             詹姆士斯科特焦耳
         James Prescott Joule , was an English physicist and brewer.

02、Mechanical equivalent of heat    熱功當量
         The concept stated that motion and heat are mutually  interchangeable 
   and that in every case, a given amount of work  would generate the same
   amount of heat, provided the work done  is totally converted to heat energy.


03、Apparatus        儀器、裝置
04、Calorimeter      熱量
         A calorimeter (From Latin calor, meaning heat) is an object  used for
   calorimeter, or the process of measuring the heat of  chemical reactions
   or physical changes as well as heat capacity.

05、Watertight       防水的
06、Thermometer
      溫度計
07、Carnot Engine
    卡諾引擎

         The Carnot cycle is a theoretical thermodynamic cycle proposed  by
   Nicolas Léonard Sadi Carnot in 1823 and expanded by in the 1830s and
   40s. It can be shown that it is the most efficient cycle for  converting a given
   amount of thermal energy into work, or conversely,   creating a temperature
   difference (e.g. refrigeration) by doing a   given amount of work.


08、Beakers            燒杯
09、Non-conducting
     不導電
10、Piston
             活塞
11、Heat Capacity
      熱容

         Heat capacity (Usually denoted by a capital C, often with   subscripts),
   or thermal capacity, is the measurable physical quantity   that shows the
   amount of heat required to change the temperature of   an object or body
   by a given amount.


12、Proportionality             比例
13、Rice cooker
                 電鍋
14、Hair dryer
                  吹風機
15、Air conditioning
            冷氣
16、Compression lighter
         壓縮式打火機
17、Heat insulation cup sets
    隔熱杯套
18、Heat pipe
                   熱導管
19、Curie temperature
           居禮溫度
20、Ferromagnetic materials
     鐵磁性物質
21、Paramagnetic materials
     
順磁性物質

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10.參考資料(References)

a.熱學參考影片:http://www.youtube.com/embed/XVJ7fapHc2Q

b.普通物理課本(Serway 8th)

Ch20為熱學基本定律

Ch27為電流熱效應

Ch30為居禮溫度

c.電鍋演進歷史

d.歷年看板

(1)2013年 (2)2012年 (3)2011年

(4)2010年 (5)2009年 (6)2008年

(7)2007年

e.歷年選票

(1)2013年 (2)2012年 (3)2011年

(4)2010年 (5)2009年 (6)2008年

(7)2007年

f. 熱導管

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11.其他(Others)

名詞解釋

   居禮溫度由法國的科學家居禮所發現的。它代表著物質由鐵磁性轉變為順磁性的溫度,而實驗中就是利用物質加熱到某特定溫度時,會失去磁性。

鈷:1115°C ,鐵:770°C,磁鐵礦:585°C,鎳:354°C)

   鐵磁性物質最奇特的是一些類鐵物的反應。在他們置於一個外加磁場中,則它們感應磁性,當外加磁場消失時,這些怠應得來之磁性並未完全消失,而仍有部份留存於這類物質中,也就是這些物質受到磁化而擁有殘磁性。這一類的元素我們稱之為”鐵磁性物質,如:鐵、鈷、鎳等。

   順磁性物質物質本身沒有自發的磁性,但是如果外加一個強大的磁場時,很容易被磁化而產生磁性,例如輝石、角閃石等。

附錄

   1、電鍋和電子鍋的比較

    (1) 電鍋和電子鍋的安全機制比較:電子鍋內鍋下部裝有一彈簧,此功用是防止不小心按到開關而使電子鍋空燒,因為你不將內鍋放入,鐵磁性物質的開關就無法吸住而形成通路。電鍋則沒有這項設計。

    (2) 電鍋中鐵磁性物質開關旁的雙金屬片相對於電子鍋的微動開關將雙金片包裝在塑膠 外殼之下而言較危險,因為當你使用很久之後,萬一內部因老舊而有銅線裸露出碰觸到時,所以電鍋會有短路的危險。

    (3) 電子鍋比電鍋多一條接地線。

   2、變頻冷氣和一般冷氣的差別

       一般傳統的冷氣只能以固定的功率輸出,靠著機器的開與關來控制溫度,這種控制方法常常使得室內的溫度很難定溫,而且長時間下來使用浪費的電力更是相當驚人,而變頻冷氣突破傳統冷氣的運轉方式,可隨意變換交流電的頻率,變頻冷氣剛啟動時,有速冷的設定,而速冷是一開始壓縮機以130%功率運轉,所以剛開機的耗電功率反而比一般冷氣還要大,但是當變頻冷氣在長時間的運轉功率最高為70%,也就是,如果是室內空間的話,用變頻冷氣會比較適合,但是如果是通風太好的地方,反而是用一般冷氣會比較適合,因為用變頻冷氣的話,變頻冷氣一直在速冷的情況下反而會浪費更多的電力,所以這個差別就是我們在選冷氣需要注意的地方。

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