熱傳遞

熱傳遞有三種類型,包括傳導、對流和輻射。

熱傳導。當高溫物體與低溫物體接觸時,能量會從高溫物體傳遞到低溫物體。增加的能量使構成物體的原子和分子運動得更快。運動過程中,分子具有動能(EK = ½ mv² )。運動速度較快的分子(具有較大的動能)會與相鄰的分子碰撞。這些分子隨後又會與鄰近的其他分子碰撞。如此往復。分子之間相互碰撞,從而傳遞能量。透過構成物體的分子間碰撞發生的熱傳遞稱為熱傳導。熱傳導通常發生在固體之間,或從固體到液體(從液體到固體),或從固體到氣體(從氣體到固體)。

對流是一種熱傳遞方式。對流通常發生在液體(例如水)和氣體(例如空氣)中。對流是指物體因密度變化而移動,並伴隨熱量傳遞的過程。物體的密度變化是由於其體積變化。物體的體積變化是由於物體吸收了一定量的熱量。

熱傳遞主要透過輻射進行。輻射是指以電磁波形式傳遞熱量。例如,人體靠近爐灶時感受到的溫暖以及太陽向地球輻射的熱量,都是輻射的例子。太陽的溫度較高(約6000開爾文),而地球的溫度較低。太陽和地球之間的溫差使得熱量從太陽(溫度較高)傳遞到地球(溫度較低)。如果太陽向地球的輻射需要介質(例如傳導和對流),那麼熱量就無法到達地球,因為它必須穿過真空。

問題範例

1. 2015/2016學年高中/碩士物理全國統考題第19題

如圖所示,兩根尺寸相同但材質不同的金屬棒連接在一起。如果金屬 I 的熱傳導率是金屬 II 的 4 倍,那麼兩金屬連接處的溫度為…

一個45oC2016年全國高中物理考試討論 - 47

B. 40攝氏度

C. 35攝氏度

D. 30攝氏度

E. 25攝氏度

彭巴哈桑

已知:

金屬的熱導率 I = 4k

金屬 II 的熱導率 = k

金屬邊緣溫度 I = 50攝氏度

金屬邊緣溫度 II = 0攝氏度

Q:兩種金屬連接處的溫度是多少?

回答 :

熱傳導速率的計算公式:

2016年全國高中物理考試討論 - 48

說明:Q/t = 傳熱速率,k = 熱導率,A = 表面積,T1 - T2 =溫度變化,l = 桿的長度

2016年全國高中物理考試討論 - 49

兩種金屬的尺寸相同,因此從方程式中移除 A 和 l。

2016年全國高中物理考試討論 - 50

正確答案是 B。

2. 2015/2016學年高中/碩士物理全國統考題第19題

下圖顯示了不同類型的金屬棒 A 和 B 在一端連接在一起。

兩根桿的橫截面積相同,但A桿的長度是B桿的兩倍,A桿的熱導率是B桿的3倍。如果A桿和B桿的自由端分別處於不同溫度,那麼連接處的確切溫度為…

一個60oC2016年全國高中物理考試討論 - 51

B. 64攝氏度

C. 70攝氏度

D. 76攝氏度

E. 78攝氏度

彭巴哈桑

已知:

桿A的熱導率=3k

桿B的熱導率=k

桿A的長度 = 2l

桿 B 的長度 = l

桿A邊緣的溫度 = 100 ℃

桿B邊緣的溫度 = 40 ℃

問:兩根桿連接處的溫度

回答 :

熱傳導速率的計算公式:

2016年全國高中物理考試討論 - 52

說明:Q/t = 傳熱速率,k = 熱導率,A = 表面積,T1 - T2 =溫度變化,l = 桿的長度

2016年全國高中物理考試討論 - 53

兩根桿的橫截面積相同,因此 A 從方程式中移除。

2016年全國高中物理考試討論 - 54

正確答案是D。

3. 2014/2015學年高中/碩士物理全國統考題第14題

請注意以下聲明:

(1)金屬導電性

(2)金屬端部之間的溫差

(3)金屬的長度

(4)金屬質量

決定金屬中熱傳播速率的因素有…

A. (1)、(2) 和 (3)2015年全國高中物理考試討論 - 38

B. (1) 和 (4)

C. (2) 和 (4)

D. (3) 和 (4)

E. (4) 僅

彭巴哈桑

金屬中的熱傳遞方式為熱傳導。熱傳導速率的計算公式為:

2015年全國高中物理考試討論 - 37

說明:Q/t = 傳熱速率,k = 熱導率,A = 表面積,T1 - T2 =溫度變化,l = 桿的長度

正確答案是 A。