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熱傳學與熱力學
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熱傳學
- 研究不同溫度的物體間 , 發生能量 ( 熱能 ) 傳遞之暫態行為的科學
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熱力學
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研究 一熱力系統
在兩個系統都平衡狀態下
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利用熱力學
第一定律
- 求其與外界所交換的能量 ( 功與熱能 ) 之總量
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利用熱力學
第二定律
- 求系統在此二平衡狀態間能量傳遞的方向
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差異
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熱力學
- 無法預測能量 傳遞時間
- 系統在 任意瞬間 處於 平衡狀態
- 可判別 能量傳遞 之方向性
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熱傳學
- 可預測某狀態下熱量 傳遞速率 及 所需時間
- 可預測系統再 任意瞬間 內部之溫度分布
- 所有熱傳過程皆為 不可逆過程
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熱傳學
的型式
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傳導
(conduction)
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定義
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1
- 若
- 物體內存在溫度梯度
- 則
- 能量將從高溫傳向低溫
- 稱
- 能量傳遞之型式為傳導
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2
(微觀)
- 高動能的分子
經由碰撞的方式
將能量給予低動能的分子
- 氣體
- 分子自由的運動
(包含擴散及碰撞)
- 液體
- 與氣體情況相同
- 固體
- 透過 晶格振動 與 自由電子的運動
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傅利葉定律
(Fourier law)
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已知
- 為一經驗公式
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定義
- 單位面積的熱量傳遞速率 與 溫度梯度 大小呈正比
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定理
- 為x方向的熱量傳遞速率(熱傳率)
- 為熱量通過的正向面積
- K為熱傳導係數或導熱性
(thermal conductivity )
- 單位=W/(m•度C)
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對流
(convection)
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定義
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已知
- 流體在進行巨觀運動
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若
- 物體內存在溫度梯度
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稱
- 造成能量傳遞之型式稱為對流
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牛頓冷卻定律
( Newton law
of cooling )
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定義
- 單位面積的熱傳遞速率 正比於 物質表面 與 遠處流體 的溫度差
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定理
- 熱量傳遞速率(熱傳率)
- 面積
- Ts
- 為物質表面溫度
- T∞
- 為遠處流體的溫度
- h為對流熱傳係數
( coefficient of
convection heat transfer )
- 單位=W/(m^2•度C)
- Th=T High
- TL=T low
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對流分類
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自由對流
- 流體各部位 溫度 或 濃度 不同
導致密度不同而產生浮力之運動
- 稱此為自由對流( free convection )
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強制對流
- 流體受到外力,如幫浦、風扇等,而導致流體運動
- 此稱為強制對流( forced convection)
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輻射
(radiation)
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定義
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若
- 物質利用電磁波傳遞能量
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稱
- 此種能量傳遞之型式稱為輻射
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史特凡一波滋曼定律
( Stefan-Boltzmann law )
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定義
- 單位面積 且 單位時間內
所輻射出的最大總能量
與 絕對溫度的4次方 呈正比
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定理
- 最大能量放射的速率
- 面積
- T
- 注意
- 為絕對溫度K
- 史特凡一波滋曼常數σ
( Stefan-Boltzmann constant )
- 其數值會被 放射率 所影響
( emissivity )
- 當 ε = 1時,稱此物體為黑體(black body)
而黑體輻射射出的能量最大。
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熱輻射交換
- 溫度高表示平均動能大
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巨觀運動
- 是一群巨大數目的分子, 其整體(質心)的運動
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灰體
- 物體輻射吸收率(α)與放射率(ε)相同
- 能量守恆