熱學儀器與環境議題

紅外線溫度計〈infrared thermometer〉

紅外線溫度計(infrared thermometer)
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

「紅外線溫度計」,乃利用物體所產生的黑體輻射量測量溫度,若同時利用雷射協助確定量測區域,有時也稱做雷射溫度計(laser thermometer),因為紅外線溫度計的量測過程不需要直接接觸被測物體,有時稱做非接觸性溫度計(有些溫度計必須直接接觸物體,如水銀溫度計、熱電偶溫度計)。紅外線溫度計藉由溫度計中的感測器,得知物體發出紅外線輻射的量與發射係數(emissivity),即可得知物體的溫度。

紅外線溫度計的基本元件包含聚焦用的透鏡,將待測物體的紅外線聚集在感應器上,並將紅外線的相關資料轉變成電子訊號,因為周圍環境也會輻射紅外線,溫度計必須針對室溫的變化進行調節,且考慮不同物質的發射係數後,將電子訊號放大後顯示溫度測量結果。

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝二﹞

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝二﹞
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

MLI 中不同隔熱層之間可以無限制的靠近,只要之間沒有直接的熱接觸,導致熱傳導或對流的發生。為了減少薄膜的厚度與重量,薄膜內每一層盡量做薄、且對於熱輻射必須做到不透明(熱輻射無法穿透)。因為薄膜強度不需太大,因此常使用極薄、厚度約六微米左右的塑膠材質,如聚酯薄膜或聚酰亞胺膠帶,並在其中一面覆上金屬薄膜,提高反射率,最常用的金屬是銀。為了減少厚度,層與層之間必須盡量靠近,但接觸面不能太大以免產生熱傳導與對流,因此每一層會有部分突出或製造波紋,或者在層與層中間加上網子,藉此減少每層之間的接觸點。而最外層則使用較厚的塑膠材料以提供支撐,並且可加上更強韌的玻璃纖維進行強化。

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝一﹞

多層隔熱薄膜(Multi-layer Insulation, or MLI)﹝一﹞
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

多層隔熱膜(或簡稱MLI)是利用多層薄膜組成以進行隔熱。主要功能在於減少因為熱輻射所導致的熱量損失,對於熱傳導與對流造成的熱損失,相較之下,功能較 差。因此,MLI較常使用在衛星或應用在真空環境中,因為這樣的環境中,熱輻射是主要的熱傳遞方式,熱傳導與對流較不明顯。MLI常以金箔的形式出現在許 多衛星(如華衛二號)表面與太空探測中。

熱浪

熱浪 (Heat wave)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

熱浪是指天氣在一個長時間保持過分炎熱,還可能伴隨著很高的濕度。主要指某地區出現異於平常狀態的高溫,這種不正常的氣候模式,嚴重的熱浪已造成災難性的農作物歉收,數千人死亡。

對於熱浪的界定各地不同,世界氣象組織建議,當連續 $$5$$ 天每日的最高溫度超過正常的時期平均最高溫度 $$5^\circ C$$ 時,定義為熱浪。更嚴重的狀況稱為熱風暴(是當較廣大的區域,通常是數萬或數十萬平方公里),溫度連續三天達到華氏 $$100$$ 度 $$(38^\circ C)$$ 以上。

熱島現象

熱島現象 (Urban Heat Island)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

城市熱島是一個都會區溫度顯著高於其周圍環境。這個現象通常是在晚上比在白天明顯;在冬季比在夏季明顯,尤其當風勢弱時最明顯。

這個現象的發現是由於人造衛星的出現,使人類得以利用人造衛星從高空以紅外線拍攝地球,紅外線的影像中城市地區的溫度與周邊植被密集區域有著很明顯的差異,看起來城市部份就好像一個浮島。主要原因是因為大樓和柏油路面佈滿整個城市,些表面的吸納(而非反射)太陽的熱量,導致表面溫度的和整體的環境溫度上升並蓄存熱能,從汽車、空調、工業和其他來源的餘熱也增強了熱島效應。另一個因素是建築物阻礙空氣的流動,這也抑制冷卻對流。

焚風

焚風 (Foehn Wind)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

焚風是一種乾燥高溫的落山風,發生在山脈背面。在世界各地對類似的現象有不同的稱呼,在阿根廷被稱為 Zonda,在美國洛磯山脈地區被稱為 Chinook,在東歐被稱為 halny,在南非被稱為 Bergwind,在英國被稱為 Helm wind。此外在其他許多地區還有許多不同的稱呼。

全球暖化的效應

全球暖化的效應 (Effects of Global Warming)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

由於全球氣候變暖可能導致未來大規模和不可逆轉的氣候變化影響,但影響的規模和時間性仍有爭議。但一些例子已有顯著的改變,其中以氣候變化最為明顯,並導致一些相關的問題。

自 1980 年以來,冰川退縮已日益迅速,並已威脅許多冰川世界的存在,若不包括冰帽和冰蓋的北極和南極,全球總冰川面積已減少了 $$50\%$$,並導致海平面上升,淹沒沿海低海拔地區,例如大洋洲島國圖瓦魯已被水淹沒,自 1900 年以來,海平面已上升至平均 $$1.7$$ 毫米/年。特別重要的是興都庫什山脈和喜馬拉雅冰川融化,構成中亞,南亞,東亞和東南亞大陸許多主要河流的水源,增加熔化會造成更大的流量,為幾十年後一些人口稠密地區可能水源日益枯竭。

全球暖化

全球暖化 (Global Warming)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

全球暖化指的是地球的大氣和海洋溫度逐年上升的現象,其原因有很多不同的說法。自然現象如太陽變化與火山活動可能使氣候變暖,但以研究數據推測,有相當多的團體認為過去五十年可觀察的氣候改變很可能是由人類活動所推動,原因指向溫室氣體排放過多造成的。

熱虹吸 (Thermosiphon)(二)–應用

熱虹吸 (Thermosiphon)(二)–應用
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

連結:熱虹吸(一)–簡介

太陽能熱水器

熱虹吸使用在以液體(如水)為主要傳熱媒介的太陽能熱水器中,熱水器中的水被動的被太陽能加熱,將太陽能轉移到熱水器的集熱器上。來自集熱器的熱能可以兩種方式轉移到水體,一是直接讓熱推動水的對流,另一種則是間接的利用防凍劑吸收集熱器的熱再轉移到水,對流發生時,熱水向上流動並將熱量帶走,並由冷水進入補充,為達此目的,太陽能熱水器的儲水桶必須架設在比集熱器更高的地方,儲水桶周圍則必須做好隔熱措施,避免熱量流失。

熱管 (三)–熱管的應用

熱管(Heat pipe) (三)熱管的應用
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

連結:熱管 (二)

格魯佛(Grover)與其同事針對太空載具中的核能電池,設計合適的冷卻系統,因而創造出熱管,現在熱管更廣泛的使用在太空梭中,負責太空梭內部的溫度控制。

熱管優異的散熱功能,也廣泛被利用在現代的電腦系統中,因為現代的電腦對於效能的要求越來越高,高速的運算將產生更多的熱,對於冷卻系統的需求更加嚴格。熱管的效能極高(吸熱能力比同體積的金屬管強 $$1000$$ 倍),可用來移除CPU所產生的熱,轉移到熱沈(heat sink),透過熱沈的風扇將熱發散到周圍環境中。

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