熱學儀器與環境議題

熱管 (四)–熱管的限制

熱管(Heat pipe) (四)熱管的限制
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 (三)–熱管的應用

熱管使用在不同的環境中,因此必須進行調校,使其工作效能適應使用的環境。從熱管材質的挑選,到熱管的尺寸、冷卻液(工作液體)等等,對於熱管的工作效能都有重大的影響。

當熱管加熱到特定溫度以上時,管內的工作液體將會蒸發,而凝結過程將會終止。此時,熱管的熱傳導能力將會降低到外層金屬材質的熱傳導能力相同。雖然多數的熱管外殼都是以銅(具有高熱傳導能力的物質)製成,當熱管過熱時,其效能將因工作液體的失效而大幅下降,可能只有原有導熱能力的 $$1/80$$。

熱管 (二)

熱管(Heat pipe) (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

連結:熱管 (一)

典型的熱管包含利用高導熱係數金屬材質(如黃銅或鋁、鎳、不銹鋼等等)所做成的中空、密閉管子,並利用真空幫浦將所有流體(液體與氣體)排到管子外面,使其幾近真空;之後,依據工作溫度挑選適合的冷卻劑或工作液體(working medium)灌入管中。使用的工作液體包括水、乙醇、丙酮、水銀甚至鈉等等。若工作溫度在 $$0$$ 到攝氏 $$130$$ 度,可以選用乙醇;工作溫度在 $$600$$ 到 $$1000$$ 度,可以採用鈉。因為管內仍保有部分真空,所以內部壓力略低於液體的蒸汽壓,所以管內有部分的工作液體會以氣體的形式存在。

熱管 (一)

熱管(Heat pipe) (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

熱管是 1963 年為美國加州大學拉斯阿拉摩斯研究所 (Los Alamos Lab.) 的格魯佛氏 (Grover) 所發明,目的是為了將機器運轉過程中產生的高熱迅速移走,以維持機器能處於正常的工作溫度。

熱管是種熱傳輸的裝置,可以利用微小的溫差,將大量的熱能由高溫物體傳遞到低溫物體上。如下圖所示,熱管利用在高溫介面的液體吸熱後變成蒸汽,隨即在管內流動至低溫處,並在低溫介面凝結,凝結的液體會經由毛細構造的作用流回高溫部分,再次吸熱蒸發並不斷的循環。

矽能隙溫度計

矽能隙溫度計(Silicon Bandgap Temperature Sensor)
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

矽半導體外層電子大多數是以價電子的形式存在,在室溫時,部分電子獲得足夠的能量而從價電帶躍遷到導電帶而形成自由電子,在價電帶留下一些帶正電的空位稱為電洞,當電子從導電帶再度躍遷回到價電帶會與電洞結合。導電帶與價電帶間能量差,就是「能隙」。

蠟丸式節溫器

蠟丸式節溫器(Thermostat)
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

內燃引擎使用節溫器(俗稱水龜)調節冷卻水的流動。這種類型的節溫器利用機械的方式操作,並未涉及電子感應器。節溫器將蠟丸密封在銅質缸筒中,在低溫時蠟為固體,當引擎溫度上升時,蠟會融化並膨脹,於是推動節溫器的連桿將閥門頂開。節溫器的工作溫度是固定的,但可藉由調整蠟的組成進行調整,進而在不同的工作溫度開啟,一般約在攝氏 $$70$$ 到 $$90$$ 度之間。

熱沈或散熱片

熱沈或散熱片(Heat Sink)
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

「熱沈」,指的是一種環境或物體透過熱接觸(直接或間接),吸收高溫物體的熱量,並將吸收的熱量發散以降溫。熱沈廣泛使用在需要高效率發散熱量的系統中,主要工作為冷卻與降溫,可使用在冷凍系統(冰箱、冷凍庫)、引擎與用以冷卻電子裝置(如電腦、工作站、主機板)。

黑體輻射的應用─紅外線攝溫顯像術

黑體輻射(Blackbody-radiation)的應用─紅外線攝溫顯像術
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

紅外線攝溫影像術(Thermography, thermal imaging, or thermal video)乃藉由偵測電磁波譜中紅外線(波長約900-14000奈米)的輻射,進而形成電磁輻射的影像。依據「黑體輻射定律」,所有物體因其溫度會產生紅外線輻射,因此該技術可以在沒有可見光源照射的情況下「看見」周圍環境。物體產生的輻射會隨著溫度而增加(史蒂芬-波茲曼定律),藉此,紅外線攝溫顯像術可以觀測到溫度的變化。

海水表面溫度──黑體輻射的應用(二)

海水表面溫度──黑體輻射(Blackbody-radiation)的應用(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

連結:海水表面溫度──黑體輻射的應用(一)

然而,衛星測量還是存在許多難題待克服。首先,因為所有測量到的輻射都是從 $$0.01$$ 公釐深的海面輻射出來,無法代表整體海水表層,在白天因太陽照射所提升的溫度或者夜晚因為表面蒸發所導致的熱量散失而產生的溫度變化。這將造成與其他測量方式的研究數據無法進行比較。

海水表面溫度──黑體輻射的應用(一)

海水表面溫度──黑體輻射(Blackbody-radiation)的應用(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

「海水表面溫度(Sea surface temperature ,SST)」,雖然指的是海水「表面」的溫度,但在實務中,所謂的「表面」的真正意義,將會因為測量方法的不同而有所差異。如果利用衛星感測紅外線的方式間接測量,只能得到極表層(約 $$10$$ 微米)的溫度,若利用船隻搭載溫度計,則可測量數公尺海面下的溫度。

雷理-京士定律與紫外線災難

雷理-京士(Rayleigh-Jeans)定律與紫外線災難
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

在物理中的雷理-京士定律,首次在二十世紀提出,主要目的在於試著描述「特定溫度下的黑體,在所有波長所產生的電磁輻射能量」,針對特定的波長 $$(\lambda)$$ 可寫成

$$\displaystyle f(\lambda)=\frac{2\pi ckT}{\lambda^4}$$

式子中的 $$c$$ 代表光速,$$k$$ 為波茲曼常數,$$T$$ 為物體的絕對溫度。

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