机械工程试验个人报告热对流原理及应用.PDF

機械工程實驗個人報告 (熱對流原理及應用) 班級車輛三甲: 姓名黃紹瑜: 學號:4a315100 指導教師 魏慶華: 摘要 對流可藉由「液體的流動」或「較高溫粒子的集體移動 到物質中較低溫區域」兩種形式發生。與傳導不同的是，熱 液體的傳遞涉及較多的液體流動。而該運動發生在液體內 部或液體之間，並且不可能發生在固體內部。在固體中，分 子維持在相對位置導致流動無法產生，自然不會有對流現象。 對流以兩種形式進行：自然對流與強迫對流。 自然對流 : 是因為熱源周圍的液體吸收熱量後體積膨脹，其密度降低並且上升，周遭較冷液 體則產生移動以取代液體原有的位置，其後，流進來的較冷液體被加熱後，再度 造成流動，該過程不斷重複。驅動自然對流的主要動力是浮力，當系統受到重力 或其他力量影響產生加速度時，流體密度上的 差異導致重量上的差異，進一步 造成浮力。 強迫對流 : 利用幫浦、風扇或其他機具介入，利用人工的方式推動液體，使其流動。在熱傳 遞中，自然與強迫對流對於熱傳遞的效率都有重要的貢獻。為了要計算物體與周 遭流體之間熱對流的速率，工程學家定義出「熱傳遞係 。數 (heat transfer coefficient)」 h 這個參數，但與熱傳導係數不同的是，熱傳遞係數並非物質 的特性之一。因為該係數受到對流發生時，相關物體的幾何形狀、液體種類、溫 度、速度與其他特質的影響，相較之下更為複雜，並非僅受單一物體特性的影 響。因此，熱對流係數必須針對個別系統進行分析與推論，或者進行實驗後才能 得知。但對於典型的流體而言，仍然有些方程式與相關資料可加以運用。 大氣對流: 地球的大氣中，太陽輻射加熱地球表面，熱通過對流傳給空氣。當這一層空氣從 地球表面接受到足夠的熱，就會膨脹，密度減小，這樣在浮力作用下上升。較冷 的、沉的空氣下沉被加熱，膨脹上升。暖空氣隨著高度上升逐漸冷卻，到達大氣 較冷的區域，密度也就增加。因為它不能從下面上升的空氣里下沉，所以只好移 動到熱空氣的側面下沉。當它到達地表時又被加熱，重新回到熱空氣流中。這些 對流在局部會產生微風、風、暖流、氣旋和雷暴，而大範圍影響就會產生全球大 氣環流現象。 氣環流現象 : 單一區域的空氣上升和下沉叫做對流單體。熱隨著氣流上升輻射到太空而散失 掉。 海洋對流: 主條目：溫鹽環流 從太陽吸收熱能的海洋也可產生對流。一般來說溫度較高的水會傾向於流向極地， 低溫的水則會流向赤道。海洋對流同時也會受到海洋中鹽分影響，這就是所謂熱 鹽對流。在如此情況下，鹽分較高的暖水會下沉，而涼者、鹽分低的會上升。 地函熱對流: 地函中的對流是驅動板塊運動的動力，從而令地殼移動，產生一系列地質構造運 動。地函中作對流用的熱能，來自放射性衰變，特別 40K衰變。 熱對流的生活應用: 食： 燒開水：為什麼只有水壺的底部接觸到火源，但不到一會兒，整壺水卻燒開了！ 這是因為熱對流的原理，使熱水上升而冷水下降，造成循環的緣故。 火爐、鍋蓋或火場：火爐、鍋蓋在燃燒時，或在火場中，因煙囪效應造成熱對流 緣故，使熱空氣上升，冷空氣隨之遞補進入，因而會燃燒的更旺。 稀飯：煮稀飯時為什麼湯已沸騰，而稀飯卻尚未熟呢？這是因為稀飯是比較黏稠 的膠狀液體，水較不易流動，因此稀飯的導熱能力比水差。當煮稀飯時，水很快 就沸騰，但稀飯卻不能快速吸收和傳導熱給另一部分的稀飯，因此而導致了稀飯 間的蒸氣亂竄，使得稀飯快速翻騰把蒸氣送出，形成沸騰的假像。 行： 汽車的引擎：引擎四周配有水管，以導入水，降低高速運轉而產生高溫的引擎， 以免引擎溫度過高而使汽車拋錨。 育 ： 教室、公車或是房間（例如：地下室）的氣窗：氣窗一般都開在比較高的地方， 甚至是天花板上。這是因為「熱空氣上升，冷空氣下降」的關係。利用熱對流， 便能有效減少室內或車裡的溫度，使我們不至於需要冷氣來降低周圍的溫度，只 要幾支電扇即可，這樣既能節省一些電費又能減低碳的排放量，來減少溫室氣體 的產生，這樣真可說是「一兼二顧，摸蜊仔兼洗褲」！ 樂： 走馬燈：走馬燈會旋轉主要是因為紙屏裡的蠟燭，這根蠟燭不只照亮轉動的走馬 燈，又可以藉著上升的熱空氣經過頂部的風車，來吹動走馬燈；而紙屏內的空氣 往上跑走了，外界的冷空