熱學

熱電偶（Thermocouple）
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

1821年，物理學家托馬斯約翰塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發現，當任何導體（如金屬），受到溫度梯度會產生一個電壓。這就是現在被稱為熱電效應或Seebeck效應。

熱電效應中電壓的大小取決於金屬的種類與溫度梯度大小。採用兩種不同金屬線製作成一接合點，測量另兩端點電壓，此時兩金屬線均產生一電壓，且互相抵消。但由 於金屬種類不同，因此存在一個很小的電壓差值可以被測量，這個差值隨接合點溫度的升高而增大，通常每度（攝氏）產生1至70微伏特，這種耦合的兩個金屬即稱為熱電偶。

熱電偶是一種被廣泛應用的溫度感測器，將其產生的電壓測量後換算成相對應的溫度，即成為ㄧ種溫度計。由於它的價格低廉、感溫迅速、有標準介面，而且具有很大的溫度測量範圍，目前已被廣泛使用。

熱傳導（Conduction）
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

「熱傳導」，是透過物質間的直接接觸（但沒有物質的交換），將熱由高溫區域流向低溫區域的一種熱傳遞的方式。在液體中，熱傳導是原子的彈性碰撞進行擴散；在固體中，則是因為自由電子的擴散傳遞熱量，若在絕熱物體中，聲子的振動則是熱傳導的原因。

能量的轉移最可能的原因是「碰撞」，包括流體中產生的彈性碰撞、金屬內最主要是因為自由電子擴散與絕熱物質中聲子震盪所產生的碰撞。換句話說，當相鄰原子間 因為振動所產生的能量傳遞，或者電子由一個原子移動至另一個原子時，熱的傳導就發生了。因為固體內的原子持續不斷的接觸，因此，熱傳導是固體最主要的熱傳遞方式。而在液與氣體中，分子的距離較遠，分子較少藉由碰撞傳遞熱能。

熱的傳遞與隔熱（Heat Insulation）
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

熱輻射主要是由電磁光譜中紅外線組成，與所有的電磁波一樣，熱輻射不需要透過介質傳遞，一個物體輻射出的總能量正比於表面積與放射率，所有在絕對零度以上的物體都會產生熱輻射。

熱的傳遞 （Heat Transfer）
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

在熱物理學中所謂的「熱傳遞」，指的是「熱能由一個高溫物體傳遞到低溫物體」。當物體（固體或流體）與周圍環境溫度不同時，藉由熱傳遞或熱交換的過程，與周 圍環境達成熱平衡。熱傳遞總是由高溫物體傳遞到低溫物體，這是熱力學第二定律的結果。當兩物體的溫差越小，之間的熱傳遞依然持續進行，只是傳遞速率減緩。 而熱的傳遞可能改變物體的內能。所謂的「內能」，指的是分子或電子在進行結合並形成物質時，物質內部粒子間的振動或轉動能量。

熱沈（Heat Sink）的效能與組成
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

熱沈的效能（無論使用自然對流、強迫對流、液體冷卻或多種方法的組合）受到材質、幾何外型、整體表面積熱傳導係數的影響。一般而言，若是利用強迫對流的熱沈，可藉由增加熱沈材質的熱傳導係數、加大表面積（例如增加散熱鰭片的數量）或加速氣體流動（增加風扇數量）等方法提升其效能。

若將熱沈使用在電子上，會讓「熱沈」的金屬部分接觸溫度較高的部分（多數的情況下，兩者之間會有一層熱介面物質TIM以加速熱的傳遞），電腦的微處理器CPU就需要透過「熱沈」加速散熱（主要透過傳導與對流，輻射所佔比重不高）來降低溫度。

熱平衡（Thermodynamic Equilibrium）
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

一個系統達到熱平衡(Thermodynamic equilibrium)即表示，其壓力、溫度、體積等巨觀的物理性質都不會隨時間而改變，但粒子與粒子之間仍存在能量交換。舉例來說，一個理想的氣體系統達熱平衡，其溫度即維持恆定，但粒子速率分佈函數遵守馬克士威分子速率分佈，並非每一個粒子速率都相同。而兩個互相處於平衡狀態的系統，兩者各自處於平衡狀態且兩者在可以交換熱量的情況下，仍然保持平衡狀態。

熱力學第一定律 (First Law of Thermodynamics)與絕熱膨脹
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

在熱力學中熱力學第一定律為能量守恆定律更廣泛的應用，魯道夫.克勞修斯(Rudolf Clausius)於1850年首次明白的陳述熱力學第一定律。

「系統內能（U）的增加等於系統吸收的熱（δQ）減去系統對周圍環境所做的功（δW）」

該定律敘述一個系統能夠貯存熱量成為內能(internal enargy)，藉由熱傳遞的過程，能量可以從一個高溫的來源加到系統中或損失能量到一個更低溫的系統。此外，能量也可經由作功的過程損失；反過來，當外界對系統做功，則系統的能量將會增加。

潛熱 （Latent Heat）
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

潛熱是物質在相變化（固態 ↔ 液態 ↔ 氣態）過程中，溫度沒有變化的情況下，吸收或釋放的能量。這個名詞是由蘇格蘭物理學家約瑟夫•佈雷克（Joseph Black）於1750年左右從拉丁文的「latere」衍生而來，意即「隱藏」。目前潛熱這個名詞在很多書籍文章中稱為焓的變化（enthalpy transformation）。

對物質加熱，所增加的能量通常以動能的形式表現，巨觀上即溫度升高。當分子動能提高到某個程度，則增加 的能量用來破壞分子間的作用力，此時分子動能並不增加，而是提高了位能。因為巨觀上看不到位能變化，所以稱為潛熱。潛熱可分為熔化熱及汽化熱，當相變是由 固態轉為液態時，能量改變是吸熱性的，稱為熔化熱；當相變是由液態轉為氣態時，能量改變也是吸熱性的，稱為汽化熱；當相變是另一個方向的時候（氣態→液態 →固態），能量改變則為放熱性的。

蒸氣壓 (Vapor Pressure)
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

蒸氣壓是指這種物質在氣相中的分壓，飽和蒸氣壓是蒸氣與非蒸氣在平衡狀態的壓力，這種平衡狀態是ㄧ種動態平衡，處於液態和固態的物質有汽化至氣態的趨勢；處於氣態的物質也有回到液態和固態的趨勢。

液體靠近表面的分子，動能較大的會逃脫而進入氣態，然而逃脫分子也可能會與液體上方的氣體分子相碰撞，而使得有些分子重返液體內。密閉容器中，由液體逃脫的 分子越來越多，這些逃脫的分子也會碰撞到液體表面而被捕捉，這就出現凝結現象。當汽化和凝結過程均以同一速率進行即平衡達成時，蒸氣中的分子數目將不會改 變，此時液體呈現的蒸氣壓稱為飽和蒸氣壓，溫度越高飽和蒸氣壓越大。