第五章 溫度與熱
5-1 溫度與溫度計
1. 溫度的意義：物體的冷熱程度，即稱之為物體的溫度。簡單 的 說，物體愈熱，則表示物體溫度愈高。冷熱的感覺與日常生活息息相 關，但並非每個人對冷熱的感覺都一定相同；而且同一個人於不同 情況下，對冷熱的感覺也不一定相同。如， 假如有三杯水，一杯冷水、一杯溫水及一杯熱水。你將右手手指 先放在冷水一些時候，再放進溫水中；同時將左手手指放在熱水一 些時候，再放進溫水中；上述兩隻手指對這杯溫水的冷熱感覺是不 一樣的，前者(右手手指)覺得溫水是熱的，後者(左手手指)覺得溫水 是冷的。 2.溫度的測量與溫度計的製作：人類藉感覺判斷物體的冷熱因人 而異，是不客觀且不容易準確的；且因為感官的範圍太窄了(太高溫 或者太低溫都無法準確測知)，再加上對於微小的溫度變化不易察覺， 因此就發展出些許工具幫助測量溫度。如，燒紅的鐵、沸騰的水、冷 凍的乾冰等過冷或過熱的物體，無法以手來探測其溫度。 所以，欲正確測量物體溫度，就需藉助某些對冷熱程度改變明 顯的物體。如，常溫下，大部份的物體都是熱漲冷縮，所以，可藉著 物質的體積隨溫度升降而改變的性質來測量溫度。 <範例>：簡易溫度計的製作： 液體常會發生熱漲冷縮的現象；當溫度升高時，液體體積會膨脹， 而溫度下降時，其體積會縮小。可由以下實驗證實： step1.錐形瓶裝滿冷水，並加入些許的紅色墨水，使其易於觀察。 (如圖一)把裝有玻璃管的橡皮塞，緊緊塞住錐形瓶。此時，可看見玻 璃管中有紅色液體上升，並於玻璃管後，貼上一劃有刻度的硬紙板 ， 並記下其高度。 step2.將 step1 中的錐形瓶放入裝有冷水的燒杯中，可發現玻璃管的 水位下降(如圖二)；若將錐形瓶改放入裝有熱水的燒杯中，則可發現 玻璃管的水位上升(如圖三)。step3.因此可利用玻璃管水位的高低變化，簡易判斷物體的冷熱程 度；換句話說，可利用此特性測量物體的溫度。 <Note>： 當你將錐形瓶放入裝有冷水的燒杯中時，玻璃管中的水位會先上 升少許再下降(因為當錐形瓶接觸冷水時，其體積先縮小少許致使瓶 內水面先上升一點點，然後瓶內的水也因為冷而收縮體積，使得水 位下降)；反之，若放入熱水中，則先降後升。 此為一簡易溫度計，實用性與準確性均不高，如，於 1000C 時會沸 騰，而於00C 時會結冰；且體積大又不易攜帶。 3.常見的溫度計：溫度計是利用物質的熱漲冷縮的性質來測量物 體冷熱的工具。常見的液體溫度計有水銀溫度計及酒精溫度計兩種。 水銀溫度計：利用水銀的熱漲冷縮來測量溫度；因為水銀較易傳 熱且膨脹率均勻，所以量度較準確且測量範圍較廣，溫度範圍是 -370C ~ 3570C。 酒精溫度計：利用著色酒精的熱膨脹來測量溫度，因為酒精加入 紅色染料較易觀察，溫度範圍-1140C ~ 780C，故測量溫度較低。 1. 溫度計的構造及使用注意事項： 一般溫度計是將一端成球形的細長玻璃管內盛入水銀或酒精 ，在將空氣抽出，封閉其開口，再定出其冰點與沸點。 醫師用的體溫計，是體積小、玻璃薄的水銀或酒精溫度計，其測量 範圍是350C ~ 420C。 不同溫度計，有著不同的測量範圍；使用時特別注意，溫度範圍 的限制。如，若將體溫計用沸水清洗或消毒，則容易使玻璃管破裂。 使用溫度計時，溫度計與待測物接觸，直到溫度計液面不再變化， 則此時所顯示的刻度，即是該物體的溫度。
溫度計的分度法： (1).攝氏(0C)：沸點為 1000C，而冰點為 00C。 (2).華氏(0F)：沸點為 2120F，而冰點為 320F。 (3).兩分度法的換算： 2. 常見溫度計的比較： 水 銀 溫 度 計 優 點 缺 點 1. 不會沾附管壁。 2. 液線清楚。 3. 導熱性非常好。 4. 對溫度變化的反應快。 1. 凝固點在-390C。 2. 不適宜測量極地的氣溫。 3. 有劇毒，打破了危險。 4. 價格比較貴。 酒 精 溫 度 計 優 點 缺 點 1.凝固點在-1150C。 2.適宜測量極地的氣溫。 3.比水銀容易膨脹，需要較寬的 玻璃管。 1.必須經過染色才容易觀看。 2.沾附到管壁上，液線很容易斷 開。 體 溫 計 優 點 缺 點 1.刻度放大，較易觀察。 2.在內側水銀球附近的玻璃管有 彎曲的設計，使用後水銀線斷了 而不會馬上下降，便於仔細觀察 溫度。 1.溫度測量範圍是 350C ~ 420C。 2.不可放冰箱也不能以熱水消毒。
<範例>： 1.將下列溫度改成攝氏溫度或華氏溫度：(1).-100C (2).5 0F
5-2 熱量
1. 熱量的基本概念：熱是能量的一種形式。物質之所以會有冷 熱 的變化，原因是由於有熱量進出物體之故。一般而言，除了物質發生 三態變化時，溫度不變化，否則，物質吸收熱量時，溫度上升，而 物質放出熱量時，則溫度下降。但物質於吸收或放出熱量時，其物質 本身質量並沒有改變。 例如，固體 液體 氣體，為吸熱過程，其溫度逐漸升高。但，由 00C 的冰變成 00C 的水，雖有吸熱，但溫度維持不變。 2. 如何求出熱量的變化?利用日常生活燒開水的經驗，可得知 物 質質量、加熱時間與溫度變化的關係。利用一穩定熱源，加熱某物質 使其溫度發生變化，則： 定量的水，若加熱時間愈長(表物質吸收熱量愈多)，則溫度上升愈 多。 加熱時間 t(代表供給的熱量 H)和溫度變化(T1 – T2)成正比。 相同加熱時間，若水量愈多，則溫度上升愈少。水的質量(M)和溫度變化(T1 – T2)成反比。 溫度相同的大、小兩杯水，同樣加熱至沸騰，則水量多者，需要加 熱的時間愈長。加熱時間 t(代表供給的熱量 H)和水的質量(M)成正比 由以上結果可知： H 正比於 M(T1 – T2) 並經由適當的單位選擇後，可得到下列關 係式：H = M(T1 – T2)，熱量(H)的單位是卡(cal)。 3.熱量的定義與單位： 熱量的定義：使 M 公克的水，由 T10C 升到 T20C 時，所吸收的熱量 為H 卡。 即 H = M(T1 – T2) H：表熱量(卡) M 表水的質量(公克) T1、T2表水的初溫與末溫 範例： (1).將 100C，100 公克的水，加熱至 200C，問需要吸熱多少卡? (2).500 卡的熱量可使 100 公克的水，溫度上升幾0C? 熱量的單位：常用的單位是卡(cal)或仟卡(大卡，kcal)。 (1).1 卡：能使 1 公克的純水升高 10C 的熱量。 (2).1 仟卡(大卡)：能使 1 公斤的純水升高 10C 的熱量。 (3).1 仟卡 = 1000 卡。 <練習題>： 1.甲、乙兩杯水加熱時，溫度變化與 加熱時間關係圖如右所示，若熱源每分 鐘可提供50 卡，試求：(1).甲、乙兩 杯水質量各為若干公克? (2).乙杯水加 熱至180C，需時若干分鐘?
2.將 200 公克的水，由 150C 加熱至 850C 時，吸熱多少卡? 3.一杯水由 400F 升至 1300F 時，需熱量 30 仟卡，問水的質量是多少? 4.右圖為電熱器 A 加熱 2 公升之水及 電熱器B 加熱 3 公升之水的加熱時間 及溫度變化圖，試回答下列問題： (1).加熱幾分鐘後，兩者溫度相同? (2).加熱 10 分鐘後，2 公升的水從電 熱器A 中得到多少熱量? (3).若無熱量損失，則相同時間內 A、B 兩電熱器產生的熱量比為何? 5.以同一熱源加熱不同質量的水， 可得到加熱時間與溫度變化關係圖 如右，試問：(1).如果 M1 = 300 公克， 則M2 為多少?(2).若加熱於質量 M1 + M2 的水，則其關係圖應在第幾區?
5-3 比熱
在街頭上常可看見販賣糖炒栗子的攤販，將栗子放在細沙中一起 炒，你知道為什麼?原來是因為沙子本身的比熱很小，能夠很快的吸 收熱量而升高本身的溫度，同時沙子顆粒又比較小，可藉著眾多沙 子將栗子包圍，於短時間內可使的每個栗子於沙中均勻的獲得熱量 而熟透了。 1. 比熱：使 1 公克的水升高 10C 所需的熱量稱為 1 卡。但是，使1 公克的其他物質(如金屬、酒精或空氣等等)升高0C 所需的熱量，經 實驗證實，並非恰為1 卡。 對不同物質加熱時，物質質量與加熱時間雖相同，但是上升的溫 度並不相同，這顯示各種物質對於吸收或放出熱量的性質不同。 經實驗得知，要使 1 公克的鐵上升 10C，只需要吸收 0.113 卡的熱； 然而，使1 公克的水上升 10C，卻需要吸收 1 卡的熱。即， 對水而言：H = MT 對鐵而言：H = 0.113MT 0.113 = H / (MT) 經由更多的實驗證實，熱量(H)與質量、溫度差乘積(MT)的比值， 有下列特性：對同一物質而言，比值恆為一定值；不同物質其比值 亦不相同，故可知此比值為物質特性之一。因此就定義此比值為比熱 (S)。並可得下列關係式： S = H / (M T) = 吸收放出的熱量 / (物質質量 x 溫度變化) 其中，熱量的單位是卡(cal)，物質質量單位是公克(g)，升高或下降 溫度是0C，所以，比熱單位是卡 / 克 0C (cal / g 0C)。由以上可定義比 熱(S)為：使 1 公克物質上升或下降 10C 時，所吸收或放出的熱量。一 般而言，不同的物質有不同的比熱；即使，同一物質在固態、液態、 氣態時的比熱也不相同，例如，冰 = 0.55 cal / g 0C，水 = 1.0 cal / g 0C，水蒸氣 = 0.48 cal / g 0C。 2. 物質比熱的探討：由比熱的定義，我們可將物質吸收或放出 熱 量而使溫度改變的關係寫成： H = M S T 例如，要使一個 500 公克的鐵鍋，溫度由 200C 上升到 2000C，問鐵 鍋吸收熱量若干? H = M S T = 500 x 0.113 x (200 - 20) = 10170 卡 物質的比熱不同，代表了物質對熱量的吸收或放出的特性不同。 加熱質量相等的不同物質，若升高溫度的相同時，則所吸收的熱 量與該物質比熱成正比；即比熱大者吸熱多。 例如，分別加熱 100 公克的水與銅杯，使其由 200C 升至 800C，因 水的比熱較大，故水所吸收的熱量較大。 加熱相同質量的不同物質，若吸收的熱量相同時，則升高的溫度 與物質比熱成反比；即比熱大的物質溫度不易上升或下降，比熱小 的物質溫度容易上升或下降。 例如，水的比熱比砂子大，故白天太陽照射時，海邊沙灘的溫度會
比海水高；而夜間時則相反，海水溫度較高一些。 取同質量的鋁塊與鐵塊，以相同熱源加熱相同時間，則因為鐵的比 熱小，所以溫度較高。 比熱大者，難冷難熱；比熱小者，易冷易熱。 <想想看>： 1. 水的高比熱，對氣溫的影響? <範例>： 1. 一鐵塊重 50 公克，吸收了 330 卡的熱量，結果溫度由 400C 上 升至1000C，求鐵的比熱為多少? 2. 某液體(密度為 1.2 公克 / 立方公分，比熱為 0.8 卡 / 克 0C) 100 毫升，加熱使其由 200F 升至 1010F 時，試問： (1).需要供給熱量多少? (2).此熱量可使 50 公克 100C 的水，溫度升高到幾0C? 3. 以等量的熱加於同體積的銅球(密度為 9.0 公克 / 立方公分， 比熱為0.09 卡 / 克 0C)和鋁球(密度為 2.7 公克 / 立方公分，比熱為 0.21 卡 / 克 0C)，試求兩求上升溫度比? 4. 設有一熱源，4 分鐘可提供 200 卡的熱量，今以此熱源加熱
100 公克的某液體8 分鐘，可使其溫度由 100C 上升至 150C，若不計熱量 損失，則： (1).該液體的比熱是多少? (2).若想使該液體的溫度由 100C 升高到 300C，則需加熱多久? 5. 質量均為 200 公克，溫度均為 200C 的甲、乙、丙三物質，於同一熱源加熱 時，其關係圖如右，是回答下列問題： (1).甲、乙、丙比熱大小的順序? (2).若溫度均上升至 500C 時，何者吸熱最多? (3).假設丙是水，則熱源每分鐘供給的熱量是 多少卡?又甲的比熱是多少? (4).將 500C 的甲、乙、丙三物質置於空氣中 ，何者最先降至300C? 6. 將 80 公克、200C 的冷水與 60 公克、900C 的熱水混合，問混 合後水溫是多少?(若無熱量的流失) 7.將 20 公克、300C 的冷水與 90 公克、700C 的熱水混合後，若最後 水溫為600C，則此系統有多少熱量的流失? 8.若沒有熱量流失，將 50 公克 200C 的水、10 公克 500C 的水及 40 公克800C 的水三者相互混合，求最後的水溫?
5-4 熱對物質的影響
物質受熱後可能的變化，有些只是外表的改變，有些則是本質上都 發生改變了。若不受熱時，有些會變化會恢復原狀，但有些著無法恢 復原狀。 1. 熱對物質的影響：熱會使物質(性質)的本質或狀態改變。 受熱後若僅外表形狀的變化，通常不再受熱時會恢復原狀；沒有 生成新物質。 稱之為物理變化。 例如，水、大部分的金屬等，受熱體積膨脹，但冷卻後則恢復原狀。 有些物質受熱後其本質發生改變，無法變回原來的物質；生成新 物質。 稱之化學變化。 例如，乾玉米粒受熱後爆開變成爆米花、烤蕃薯時傳出陣陣香味、生 米煮成熟飯、鞭炮爆炸等等。 物質發生變化時，都有能量的進出；有的吸熱、有的放熱。如，物 質燃燒時都會放出熱量；冰融化時吸收熱能。 有些物質受熱時顏色會發生改變。如， <範例 1>：氯化亞鈷粉末受熱。 無水氯化亞鈷粉末是藍色的，當加入少量的水後會形成含水氯化亞 鈷晶體且呈粉紅色；若加入大量的水後則會形成粉紅色的氯化亞鈷 水溶液。反之，若將粉紅色含水氯化亞鈷晶體加熱(除去水分)，則變 成藍色的無水氯化亞鈷粉末。可由下列化學反應是表示： 含水氯化亞鈷晶體+ 熱 無水氯化亞鈷粉末+ 水 (粉紅色) (藍色) <範例 2>：硫酸銅粉末受熱，其情況類似氯化亞鈷。 無水硫酸銅粉末是白色的，當加入少量的水後會形成含硫酸銅晶體 且呈藍色；若加入大量的水後則會形成藍色的硫酸銅水溶液。反之， 若將藍色含水硫酸銅晶體加熱(除去水分)，則變成白色的無水硫酸銅 粉末。可由下列化學反應是表示：含水硫酸銅晶體+ 熱 無水硫酸銅粉末+ 水 (藍色) (白色) <補充>：水的檢驗，一般水的檢驗方法有兩種： 利用白色無水硫酸銅粉末：其原理如<範例 2>。 利用藍色無水氯化亞鈷試紙：其原理如<範例 1>。
5-5 熱的傳播
你是否留意到太空梭都是白色的外殼?其實，這其中的學問可不小， 宇宙中因為沒有空氣，因此沒有熱對流與熱傳導來調節溫度，但太 陽的熱輻射可就厲害了，太空梭向陽的一面溫度可能高達 1000C 以 上，而背向太陽的一面溫度可能低到-2000C，如果不設法調節，就 一般金屬的熱漲冷縮而言，於此溫度的範圍下，太空梭早就解體了， 而白色正是解決這難題的大功臣；你知道為什麼? 1.熱平衡：於自然的狀況下，熱量會由高溫傳到低溫，此種熱的 傳播將延續到整體的溫度都相等時才停止；這時稱之為熱平衡。 熱傳播一定是由高溫傳到低溫，而不一定是由含熱量多傳到含熱 量少的(即高溫的物體未必含有較多熱量)。 溫度計的使用，即是利用溫度計與被測物體所成的系統能達到熱 平衡的性質來測量物體的溫度。 在未達到熱平衡時，熱量由高溫傳到低溫的方式有三種：傳導、對 流、輻射。 2.熱的傳播方式： 傳導：熱量經由物體(介質)，由高溫傳到低溫的傳熱方式。 (1).容易傳熱的物體稱為熱的良導體。大部分金屬都是熱的良導體， 如，我們利用鋁、鐵等易於導熱的金屬製成鍋、壺等廚房用具。而不 容易傳熱的物體稱為熱的不良導體。大部分的非金屬都是熱的不良導 體，如木材或塑膠等。而鍋、壺等廚房用具大都裝有木柄或塑膠製手 柄，其目的是避免熱傳到手中。 (2).一般而言，熱的傳導速率是固體(金屬大於非金屬) > 液體 > 氣體 以手摸 50C 的鐵塊及木塊，感覺鐵塊比較冰涼，因為鐵塊傳熱比較 快；反之，以手摸500C 的鐵塊及木塊，感覺鐵塊比較燙熱，因為鐵 塊傳熱比較快。 對流：熱量經由氣體或液體流動而由高溫傳到低溫的現象。 (1).對流的原理：液體或氣體的底部受熱時，下層的部分因受熱體 積膨脹而密度變小，所以，往上流動；上層的部分則因密度較大， 所以，往下流動。而利用這種循環的流動，可以使各部反覆受熱，而 將熱量傳至整體。 (2).日常生活中的對流範例： 冷氣機的放置。 白天吹海風，晚上吹陸風。 工廠的高大煙囪。 火災現場風特別大。 煮開水。 <想想看>：要使加熱的水全部都會熱，必須從底層加熱，而不能由 上層或中間，為什麼? 輻射：輻射作用是熱不需經由任何物質當媒介，即可由熱源直接 向所有方向傳送熱能的方法。如，太陽的熱傳播。 (1).任何溫度下的物體都會由表面輻射出能量，高溫的物體所輻射 出的能量較多。 熱量仍由高溫傳到低溫。 (2).熱輻射傳播的速度與光速相等，為 3108公尺秒，沿直線前進， 遇到障礙物時，則會發生反射或吸收。 (3).黑色、深色或表面粗糙的物體容易吸收亦容易放出輻射熱；而白 色、淺色或表面光滑的物體不易吸收亦不易放出輻射熱。如， 冬天多穿深色衣服，夏天則多穿淺色衣服。
黑、白兩杯盛等量等溫的熱水，則黑杯中的水溫下降的比較快。 (4).物體吸收輻射熱後，溫度上升；能使輻射熱透過的物質，如玻 璃、水等，其本身不易吸收輻射熱，故溫度不易升高。如，高山積雪 終年不化。 3.保溫瓶(杯)的保溫原理：利用隔絕熱的傳播途徑達到保溫效果， 如右圖。 防止熱的傳導：軟木塞、不易導熱的 支架及抽成真空的夾層，均可以減少熱 由傳導而流失。 防止熱的對流：玻璃夾層抽成真空， 沒有空氣，可防止熱的對流損失。 防止熱的輻射：玻璃夾層內、外壁鍍 上銀，可以反射輻射熱，以防止輻射熱的散失。 燜燒鍋的設計與熱水瓶相同。 <科學小常識>： 1.一般而言，冷氣機都是置於較高的位置，為什麼? 2.為何棉被可保暖?且新棉被的保暖效果比舊的好? 3.如何可使熱咖啡不易涼?
5-6 熱污染
太陽是地球最主要的熱源，其功能有帶給人類溫暖、孕育所有生物。 大自然的熱是我們所需要的，但工商業發達的結果，過多的工廠而 產生了過多的熱，這些多餘的熱無法再利用，排放到空氣中，而造 成了熱污染。 1. 熱污染：而這些熱污染，卻也給地球帶來不可忽視的災害。 如， 工廠排放的廢水、發電廠的冷卻水等等，這些熱水流入河川或海洋中 使魚蝦難以生存，而海洋中更因為食物鏈的關係，使海洋生態受到 影響。最明顯的例子，發電廠附近外海的珊瑚白化、秘雕魚。2. 熱污染來源： 工業廢水：流入海洋破壞其生態平衡。 工業廢氣：大量的二氧化碳造成溫室效應。 冷氣機普及：排放的廢熱，造成室外燠熱難耐。 汽、機車數量暴增：產生過多二氧化碳氣體。 3. 熱污染防治： 建立環境科學的知識，瞭解科學產物對環境的破壞。 研擬辦法妥善管理工廠對廢氣、廢水的排放。 盡量利用大眾交通運輸工具，減少氣、機車所排放的二氧化碳。 4. 溫室效應：一般玻璃有個特性，他能透射高溫的太陽輻射， 卻 不能讓低溫的輻射穿透。一般緊閉車窗置於太陽下的汽車都會有這個 現象，熱進的來出不去，導致無法將熱逸散，故車內溫度很高。所以 某些用玻璃或透明塑膠所蓋的溫室，乃是利用這種特性來升高室內 溫度，即稱之為溫室效應。 二氧化碳的吸收特性與玻璃一樣，所以大氣中二氧化碳濃度愈高， 則地球輻射量愈增加，地球的溫度亦跟著提高，而導致溫室效應。溫 室效應最直接的結果是使地球的平均溫度升高，除了立即感受到溫 度的上升外；亦可能造成全球海平面的上升，而導致人類生存面積 的減少。
