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       凍干技術基礎知識⑵

       上海東富龍科技有限公司 張耀平
 
       第二節 熱和溫度

       熱是物質運動的形式之一。任何物質都是由許許多多的分子所組成，而這些分子都在不停地作無規則的運動，我們稱之為熱運動。而這些無規則運動的分子所具有的能就叫做熱能。 熱能的大小用溫度來表示。溫度越高，分子運動越劇烈，物體的熱能也就越多；溫度低，分子運動就緩慢，物體的熱能就少。
       溫度就是表示物體熱或冷的程度，熱和冷是相對的，它們都是表示物體所含熱能的多少。增加物體的熱能叫做加熱；移去物體的熱能叫做制冷。 溫度常用攝氏和華氏二種溫標來表示。 攝氏溫標：在標準大氣壓下，以水的冰點為0℃。水的沸點為100℃。在0～100之間分成100等分，每一等分叫1℃。這種溫標就叫做攝氏溫標，用符號℃表示。 華氏溫標：在標準大氣壓下，以水的冰點為32。水的沸點為212，在32～212之間分成180等分，每一等分叫1°F。這種溫標就叫做華氏溫標，用符號°F表示。 華氏和攝氏可用下面的公式進行換： 華氏換攝氏：℃=5/9×（°F－32） 另外還有一種溫標叫做開氏溫標，以攝氏零下273.15度作為零度，也就是開氏零度等于攝氏零下273.15℃。
       開氏溫標用符號°K表示，開氏溫標也叫絕對溫標；開氏零度即零下273.15℃，也叫做絕對零度。絕對零度是達不到的。 溫度只能表示物體冷或熱的程度。溫度高或溫度低，不能從數量上來表示物體熱能的多少。因此就有熱量的概念。物體吸收或放出熱能的多少叫做熱量。計算熱量的單位是卡（cal）或千卡（kcal），千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。卡（cal）的單位是這樣規定的：把1g水的溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量規定為1卡（cal）。 還有一種熱量叫做英熱單位，它是這樣規定的：把1磅水的溫度升高或降低1°F所吸收或放出的熱量規定為1個英熱單位（BTU）。1英熱單位（BTU）=252卡（cal）。 質量相同的不同物質溫度升高1℃時所需要的熱量是不相同的，我們把單位質量的某種物質溫度升高或降低1℃時所吸收或放出的熱量，叫做這種物質的比熱。單位是卡/克·度（cal/g·℃），讀作每克每度卡。
       一些物質的比熱見表五。 表五 一些物質的比熱(cal/g·℃) 物質名稱 比熱 物質名稱 比熱 水 1 銅 0.091 冰 0.43 鋼鐵 0.11 水蒸汽 0.45 鋁 0.21 R12 0.225 水銀 0.033 氨 0.52 玻璃 0.20 空氣 0.24 酒精 0.58 熱量能通過傳導、對流、輻射三種方式進行傳遞。

       ⒈傳導：在受熱不均勻的物體中，熱從高溫處依靠物體的分子逐漸傳到低溫處的現象，稱為熱的傳導。這種方式的熱交換一直進行到整個物體的溫度相等為止。傳導在固體、液體和氣體之間均能發生，傳導作用必須要使物體相互接觸才能完成。 所有的金屬是傳熱的良導體，非金屬是熱的不良導體。物質傳導熱的能力可用導熱系數來表示。導熱系數是熱的傳導作用在1平方厘米cm²截面上1秒鐘內溫差為1℃時通過長度1厘米的熱量卡數。單位：卡/厘米·度·秒（cal/cm·℃·s）。一些物質的導熱系數見表六。 表六 一些物質的導熱系數(cal/cm·℃·s) 物質名稱 導熱系數 物質名稱 導熱系數 銀 0.97 玻璃 0.0014～0.0018 銅 0.92 水 0.00142 鋁 0.50 冰 0.0055 鎢 0.48 空氣 0.000057 鐵 0.16 棉花 0.00014

       ⒉對流：在液體或氣體包括蒸汽中，熱量靠物質的流動從一部分向另一部分轉移的傳遞方式稱為對流。含熱的液體或氣體，體積因熱而膨脹，密度減少，于是因重量減輕而上升，其周圍冷的部份就被補充其原來地位，形成了對流。熱的對流只發生在液體或氣體中，而且必與傳導同時發生。

       ⒊輻射：高溫熱源通過空間射向低溫物體，使低溫物體受熱升溫，這種熱量的傳遞方式叫做輻射。熱輻射與光相似，它以直線方式進行，可以在真空中傳播；輻射可以通過空氣和玻璃等透明介質，而這些透明介質本身吸熱極少。表面黑、粗糙的物體善于吸收熱；表面白亮光滑的物體不善于吸收熱和輻射熱，但善于反射熱。

       事實上，熱量傳遞的三種方式并非單獨進行，而是一種方式伴隨著另一種方式同時進行，或者是三種方式同時進行的。 為了衡量物體溫度高低的程度，就需要對溫度進行測量，溫度的測量是利用溫度計來完成的。常見的溫度計有液體溫度計、壓力式溫度計、雙金屬溫度計、熱電偶、熱電阻和熱敏電阻等。 液體溫度計是利用了某些液體的熱脹冷縮原理制成的，它封灌在一根細長的玻璃管中，一端有一個膨大部分，以容納工作液體。常用的液體有酒精、煤油、水銀等。 壓力式溫度計是利用了某些氣體的熱脹冷縮原理制成的，它實際上是一塊刻有溫度讀數的壓力表，壓力表通過一根毛細管與一個感溫包相連，溫度高低的變化引起了壓力表壓力的變化，根據讀數便測知了溫度的高低。 雙金屬溫度計是利用了二種不同金屬的不同熱膨脹系數原理制成的，雙金屬片卷成螺旋形。當溫度變化時，引起了雙金屬片的運動，從而帶動指針指示出了溫度。 熱電偶是利用不同的金屬絲一端焊接在一起時，在它們的二個游離端會隨溫度的變化而產生不同的電動勢，測量這個電動勢的大小便知道溫度的高低。 熱電阻是利用了金屬絲的電阻溫度系數原理制成的。一定長度的金屬絲，當溫度升高時電阻增加，溫度降低時電阻下降。利用惠斯頓電橋能測知溫度的高低。 熱電阻一般用鉑絲制作，因此又稱鉑熱電阻。 利用鉑電阻測量溫度的原理如圖二所示，在電橋的AB端接入電源，CD端接上電流表，假設R_t處于0℃，其阻值為100Ω，調整電阻R調在100Ω，這時R_t=R，電橋處于平衡狀態，CD兩端無電壓，電流表無讀數。當熱電阻R_t溫度增加或減少時，則R的電阻也增加或減少，于是R_t≠R，電橋不平衡，CD兩端有電壓輸出，電流表有讀數，這個讀數就反映了溫度的變化，刻上溫度便成為溫度計。 實際的測量電路比圖二要復雜得多，把輸出的信號通過適當轉換可以直接由數字顯示器進行溫度的直接顯示。改變電路的設計可以進行溫度的調節和控制。 熱敏電阻是利用了一種半導體材料，其導電性能隨溫度而變化，其測量溫度的原理同熱電阻相同。