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國立台北科技大學機械工程系
實驗及實習課程教材
課程名稱：機械工程實驗(二)
第二部份：熱工實驗
丁振卿老師編
2010年9月版
基基基本本本資資資料料料
機械工程實驗(二)
熱工實驗手冊
(四機三)
授課教師：丁振卿
緊急事故連絡人：丁振卿
國立台北科技大學機械工程系
台北市忠孝東路三段 1 號
電話：2771-2171轉2075
手機：0937-1937-41
辦公室：綜合科館225-1
i
教教教學學學重重重點點點
本系『熱工實驗』屬於『大學基礎實驗課程』，主要目的除了『訓練學生對熱工實驗本身的理論與應用能力』外，更是『訓練大學生未來從事研究工作』的準備課程，因此『訓練重點』將分『課前的準備工作』、『實驗進行中的各項要求』、『實驗後的學術討論』等三部份進行。首先，『課前的準備工作』又分成兩部份，一部份由『教學者』完成，這部份本熱工實驗室『提供每項實驗主題必要的理論及實作的參考資料』，資料取得可透過『網路』及『實驗室的資料夾』﹔另一部份為『學生』的部份，學生必須在進行實驗前進行『資料研讀與準備』，這部份會『於實驗課時間並在實驗進行前驗收』。第二部份為『實驗進行中的各項要求』，這個部份從『實驗前後的實驗裝置與儀器確實清點及移交』，到『實驗過程的步驟正確性要求與絕對的安全』，確實要求學生遵守。最後對於『實驗後的學術討論』部份又分成『書面報告』與『口頭報告』兩部份﹐書面報告在每次實驗完成後，依『緒論』、『基礎理論』、『實驗部份』、『結果與討論』、『結論』等五大項目確實要求學生繳交實驗報告﹔『口頭報告』則在學生全部完成所有實驗後進行﹐要求學生以組為單位進行準備﹐訓練重點則分『時間掌握』、『內容充實度』、『表達能力』、『問題回答』等四項進行要求，務必讓學生得到最好的訓練。
條列表示如下：1. 課前的準備工作
1.1. 教學者1.1.1. 提供每項實驗主題必要的理論及實作的參考資料1.1.2. 於實驗課時間並在實驗進行前驗收
1.2. 學生1.2.1. 資料研讀與準備
2. 實驗進行中的各項要求2.1. 實驗前後的實驗裝置與儀器確實清點及移交2.2. 實驗過程的步驟正確性要求與絕對的安全
3. 實驗後的學術討論3.1. 書面報告
3.1.1. 緒論3.1.2. 基礎理論3.1.3. 實驗部份3.1.4. 結果與討論3.1.5. 結論
3.2. 口頭報告3.1.1. 時間掌握3.1.2. 內容充實度
ii
3.1.3. 表達能力3.1.4. 問題回答
2005.09.16
丁振卿老師及CCT研究群
iii
安安安全全全衛衛衛生生生教教教育育育
緊急事故連絡：丁振卿，電話：2771-2171轉2075，或0937-1937-41
實驗室規則：
1. 實驗室中禁止吸煙，亦不得飲食。在實驗室吸煙者，本學期成績以零分計算！
2. 離開實驗室前，應分類處理所有的廢棄物，並把實驗儀器與椅子歸回定位。
3. 每週值日生，負責檢查各組廢棄物處理、實驗儀器、與椅子，並負責關閉窗戶。
實驗室危險性儀器介紹：
1. 小心，熱工實驗的所有儀器都有「很燙」的部份！
2. 熱傳導係數測定實驗，小心加熱電極很燙,而且有電！
消防器材分類及使用：
1. (A) 可燃固體，(B) 液體，(C) 電器引起的火災，宜使用『乾粉滅火器』滅火。
2. 『乾粉滅火器』使用方法：(1)拔插銷，(2)握緊噴嘴對準著火處，(3)緊壓把手。
危害性標示, 以及空污、水污、毒化物作業安全：
1. 『嚴禁煙火』。
2. 油氣、液化石油氣等極易燃，且有害人體，注意開關及管路勿漏。
廢棄物處理要點：
1. 確實將廢油分類回收，嚴禁將廢油倒入水管、重油倒入輕油桶、或輕油倒入重油桶(因為燃點的差異，可能會著火！)。
緊急應變要點：
1. 火警時，立即發出警報，並連絡相關單位。
2. 停工步驟：斷電、關水、關氣體。
3. 除指定人員外，所有人員疏散，在它處待命，不得在現場逗留。
事故緊急聯絡、通報方式：任何事故請務必先通報機械系辦：本校總機2771-2171轉校內分機2000
iv
1. 火警報案：打電話119，或2521-1084(松江分隊)，2351-6396(忠孝小隊)
燙傷及一般傷害：本校醫務室：本校總機2771-2171轉校內分機1260 台大醫院急診－2312-3456轉2642，仁愛醫院急診－2701-2370, 中心診所急診－2751-0221轉5005
1. 中毒事故藥物咨詢：榮總－2875-7525
2. 一般事故或可疑人物：校警隊－2771-0408，2781-5393，或校內分機5110，5119
v
評評評分分分標標標準準準
實驗報告與上課表現佔30%、期中或期末口頭報告佔20% 、未參加期中或期末口頭報告者除該次成績以零分計算外﹐期末總成績如遇有加分情形將不予加分、曠課一次等同實驗報告一次零分。
vi
目目目錄錄錄
基基基本本本資資資料料料 i
教教教學學學重重重點點點 ii
安安安全全全衛衛衛生生生教教教育育育 iv
評評評分分分標標標準準準 vi
1 影影影響響響黏黏黏度度度因因因子子子分分分析析析與與與測測測定定定 11.1 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 問題探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3.1 實驗儀器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 實驗裝置圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3 實驗裝置示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 實驗步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 實驗條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.6 數據分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.7 基礎理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.7.1 DV-III+ Ultra Rheometer(DV-III+ Ultra黏度儀) . . . . . . . . . . 3
2 熱熱熱管管管散散散熱熱熱功功功率率率測測測定定定與與與分分分析析析 62.1 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 問題探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 熱管散熱功率測定裝置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4 實驗步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4.1 熱管散熱功率測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 實驗條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.6 數據分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.7 基礎理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Schlieren 熱熱熱流流流顯顯顯像像像分分分析析析 83.1 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.2 問題探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.3.1 實驗儀器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
vii
3.3.2 實驗架設 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.4 實驗步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 影影影響響響熱熱熱傳傳傳導導導係係係數數數因因因子子子分分分析析析與與與測測測定定定 114.1 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.2 問題探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.3 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3.1 實驗儀器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.3.2 實驗裝置圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.3.3 實驗裝置示意圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.4 實驗步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.5 實驗條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.6 數據分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.7 基礎理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.7.1 KD2 Pro Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 熱熱熱電電電及及及電電電熱熱熱原原原理理理與與與應應應用用用 175.1 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.2 問題探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.3 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3.1 實驗儀器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.4 實驗步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.5 實驗條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.6 數據分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.7 基礎理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.7.1 Thermoelectric Thermometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.7.2 Thermoelectric Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.7.3 Thermoelectric Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.7.4 Thermocouple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6 奈奈奈米米米太太太陽陽陽能能能電電電池池池製製製作作作與與與效效效率率率測測測定定定 226.1 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.2 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
6.2.1 實驗儀器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.3 問題探討 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.4 實驗步驟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.5 實驗條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.6 數據分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.7 基礎理論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6.7.1 光電效應 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.7.2 光電效應算式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
viii
實實實驗驗驗 1
影影影響響響黏黏黏度度度因因因子子子分分分析析析與與與測測測定定定
1.1 研研研究究究目目目的的的
利用微電腦可程式黏度儀測定液體樣品之黏度(Viscosity)，觀察其黏度隨溫度變化的趨勢，並透過改變液體樣品性質，分析影響黏度因子。黏度特性在油料，特別是潤滑油的影響，可說非常重要，尤其是奈米材料的出現，奈米材料對許多材料會產生不可預期的影響，如奈米機油等，因此黏度儀測定的應用可說非常廣泛，對研究可提供非常好的協助，更重要的是，學生可學到分析影響黏度因子，未來對進入實驗室或產業界都有極大的幫助。
1.2 問問問題題題探探探討討討
1. 求出所測油料的動力黏度(Dynamic Viscosity)？
2. 求出所測油料的運動黏度(Kinematic Viscosity)？
3. 畫出所測油料的動力黏度對油料溫度的關係圖？
4. 求出所測油料的黏度指數(Viscosity Index)？
1.3 實實實驗驗驗設設設備備備
1.3.1 實實實驗驗驗儀儀儀器器器
1. 恆溫水槽(含外循環系統、加熱及冷卻系統)。
2. 黏度測定儀(含轉針、樣品槽、程式控制面板、保護腳)。
3. 電腦，1ml針筒×6。
4. 試驗油料(機油)。
1.3.2 實實實驗驗驗裝裝裝置置置圖圖圖
圖1.1為恆溫旋轉扭力式黏度測試儀。
1
圖 1.1: 恆恆恆溫溫溫旋旋旋轉轉轉扭扭扭力力力式式式黏黏黏度度度測測測試試試儀儀儀。。。
1.3.3 實實實驗驗驗裝裝裝置置置示示示意意意圖圖圖
圖1.2為恆溫旋轉扭力式黏度測試儀示意圖。
圖 1.2: 恆恆恆溫溫溫旋旋旋轉轉轉扭扭扭力力力式式式黏黏黏度度度測測測試試試儀儀儀示示示意意意圖圖圖。。。
2
1.4 實實實驗驗驗步步步驟驟驟
1. 開啟恆溫槽調整溫度到30◦C。
2. 調整黏度測定儀至水平狀態並開啟電源開關，按控制面板的1 鍵選取EXTERNALCONTROL進入電腦控制模式，並將樣品槽卸下。
3. 啟動電腦並開啟Rheocalc 程式並點擊程式中的Zero 功能鍵使儀器歸零。
4. 裝上轉針和樣品槽，打開Hit point 監視器，並尋找Hit point 點，尋找完後關閉監視器。
5. 再將樣品槽卸下，並注入0.5ml 的樣品，再裝回樣品槽並鎖上保護腳。
6. 點擊程式中的Run 功能鍵，輸入目前溫度合適的轉速，等待數值穩定下來，並記錄其viscosity 值。
7. 測量油溫為30◦C 起跳每隔5◦C 做一次量測，做到80◦C。
8. 換第二種油時先將恆溫槽裡80◦C 的水換成室溫的水，以免黏度測定儀的樣品槽溫度過高造成燙傷。
1.5 實實實驗驗驗條條條件件件
表格1.1為所設定的實驗條件。
1.6 數數數據據據分分分析析析
1. 求出油料的運動黏度。
2. 畫出運動黏度對油料溫度的關係圖。
1.7 基基基礎礎礎理理理論論論
1.7.1 DV-III+ Ultra Rheometer
The Brookfield DV-III+ programmable rheometer measures fluid parameters of shearstress and viscosity at given shear rates. Viscosity is a measure of a fluid’s resistance toflow. The principle of operation of the DV-III+ is to drive a spindle, which is immersedin the test fluid, through a calibrated spring. The viscous drag of the fluid againstthe spindle is measured by the spring deflection. Spring deflection is measured with arotary transducer. The measuring range of a DV-III+ (in centipoise) is determined bythe rotational speed of the spindle, the size and shape of the spindle, the container thespindle is rotating in, and the full scale torque of the calibrated spring. The higher thetorque calibration, the higher the measurement range. Fig.1.3 shows the photo of DV-IIIultra reometer.
3
日期：
量測液體：
量測液體溫度(◦C) 黏度(mPa · S) 說明
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
表 1.1: 黏黏黏度度度量量量測測測之之之實實實驗驗驗條條條件件件。。。
圖 1.3: Photo of DV-III ultra reometer.
4
————————————————————–
5
實實實驗驗驗 2
熱熱熱管管管散散散熱熱熱功功功率率率測測測定定定與與與分分分析析析
2.1 研研研究究究目目目的的的
熱管為應用特殊技術所製作出來的超高熱傳導係數值(K)材料，其K值甚至高達(5000∼30000)(W/mk)，是非常優秀的被動式散熱材料，目前在各種電器設備的散熱應用上，非常普遍，特別是CPU的散熱，有明顯逐年增加的趨勢。熱管工作原理是藉由熱管內部的工作流體利用相變化來帶走熱量以達到散熱之目的。當熱管之ㄧ端受熱時，管內的工作液體會因吸熱而汽化膨脹，管內壓差使得熱蒸氣瞬間衝向熱管的另一端；當熱蒸氣到達另一端時，蒸氣因管內的溫差放熱而重新凝結成水，並藉由管內壁的毛細結構將水傳回加熱端，構成循環。本實驗希望透過對熱管散熱功率的測定與分析，讓同學了解熱管的工作原理與其熱傳導行為。
2.2 問問問題題題探探探討討討
1. 熱管之加熱端受熱過程，當尚未達到穩定狀態(穩態)時，熱管表面的溫度分佈如何？
2. 熱管之加熱端受熱過程，當達到穩定狀態(穩態)時，熱管表面的溫度分佈如何？
3. 單管熱管與雙管熱管之加熱端受熱過程，當達到穩定狀態(穩態)時，熱管表面的溫度分佈差異如何？
2.3 實實實驗驗驗設設設備備備
2.3.1 熱熱熱管管管散散散熱熱熱功功功率率率測測測定定定裝裝裝置置置
2.4 實實實驗驗驗步步步驟驟驟
本實驗。
2.4.1 熱熱熱管管管散散散熱熱熱功功功率率率測測測定定定
使用熱管散熱功率測定裝置的實驗步驟如下
6
1. 。
2. 。
3. 。
4. 。
5. 。
2.5 實實實驗驗驗條條條件件件
2.6 數數數據據據分分分析析析
1. ？
2. ？
3. ？
4. ？
2.7 基基基礎礎礎理理理論論論
7
實實實驗驗驗 3
Schlieren 熱熱熱流流流顯顯顯像像像分分分析析析
3.1 研研研究究究目目目的的的
利用光學顯像技術 Schlieren 進行熱流顯像分析，讓學習者透過光學顯像技術，除了學習幾何光學外，並透過熱流的顯像及熱流的分析以了解熱傳導與熱對流現象。在 2004 年 Intel 公司宣佈暫停 4GHz 以上的 CPU 產品推出後，AMD 公司也隨後跟進，原因其實很簡單，『散熱問題無法獲得解決』。在 Intel 公司推出 PrescottCPU 3GHz 以上後，CPU 工作時所伴隨發出的熱劇增到超過一百瓦高熱，在如此小的 CPU 有效與空氣的接觸面積下，如何將此高熱即時散掉以確保 CPU 的正常工作，這個問題牽動的不只是散熱技術本身而已，在 21 世紀如此高科技發展的時代下，誰能先有效掌握散熱的關鍵技術，誰就能帶領資訊科技的繼續發展，因此解決散熱問題目前已被各先進國家列為重點突破科技之一，競爭之激烈可想而知。本實驗希望透過對熱流的顯像進行散熱器之結構分析，光學器材在不進行教學實驗時，可作為研究之用。
3.2 問問問題題題探探探討討討
1. 電湯匙在方形透明水槽之一側水中加熱時，靠近熱源(near)及遠離熱源(remote)處分別進行溫度量測，得到如圖3.1所示的溫度隨時間變化曲線，即遠離熱源(remote)處的溫度起初上升較靠近熱源(near)處為快，請說明原因？
2. 請說明熱管與銅管之熱傳導行為差異？
3. 銅管的熱傳導行為是連續性，但熱管的熱傳導行為是不連續性，請說明其意義？
4. 請說明熱管的工作原理？
5. 實驗對於熱流的觀察介質使用水，請說明在水中觀察與在空氣中觀察的差異？
3.3 實實實驗驗驗設設設備備備
3.3.1 實實實驗驗驗儀儀儀器器器
1. 1.2× 1.8mm2光學桌一台。
8
圖 3.1:
2. 直徑15cm之90cm焦距凹面鏡含鏡架兩個。
3. 燈源一個。
4. 彩色面具一個。
5. 光圈一個。
6. 直徑5cm之5cm焦距凸透鏡含鏡架兩個。
7. 直徑5cm之平面鏡含鏡架兩個。
8. 3Chips CCD相機一台。
9. 影像擷取電腦含擷取卡一台。
10. 方形透明水槽一個。
11. 電湯匙一支。
12. 熱管及銅管個一支。
13. 模擬CPU一個。
14. 電源供應器一台。
15. 連接電線。
3.3.2 實實實驗驗驗架架架設設設
3.4 實實實驗驗驗步步步驟驟驟
1. 架設Schlieren光學顯像裝置。
2. 放置裝八分滿水之方形透明水槽於量測區段，注意水槽之長邊必須與入射光垂直。
9
3. 將加熱電湯匙放置在方形透明水槽之一側水中，打開電湯匙之電源並錄下熱流之流動影像。
4. 將加熱電湯匙移除並改安裝上銅管及接上模擬CPU，之後打開模擬CPU之電源並錄下熱流之流動影像。
5. 將銅管移除並改安裝上熱管及接上模擬CPU，之後打開模擬CPU之電源並錄下熱流之流動影像。
10
實實實驗驗驗 4
影影影響響響熱熱熱傳傳傳導導導係係係數數數因因因子子子分分分析析析與與與測測測定定定
4.1 研研研究究究目目目的的的
了解熱量傳遞的意義，並測定各種材料的熱傳導係數及其受溫度的影響情形，透過固體與液體比較，分析溫度造成的熱傳導係數影響原因。
4.2 問問問題題題探探探討討討
1. 請解釋傳導、對流、輻射等三種熱的傳遞方式之物理意義？
2. 實驗中，要求恆溫槽的溫度達到欲量測的溫度後，須再等待6分鐘後才可進行測量，請說明原因？
3. 實驗中所使用的KD2 Pro ultra 熱傳導係數量測儀，其理論基礎為何？
4. 實驗中所可能造成的誤差原因有那些？
4.3 實實實驗驗驗設設設備備備
4.3.1 實實實驗驗驗儀儀儀器器器
1. 熱傳導係數測定儀(含儀器(KD2Pro)和探針(6cm))。
2. 恆溫槽，試管6支，空氣壓縮機。
3. 試驗油料6種。
4.3.2 實實實驗驗驗裝裝裝置置置圖圖圖
圖形4.1為KD2Pro熱傳導係數測定儀。
4.3.3 實實實驗驗驗裝裝裝置置置示示示意意意圖圖圖
圖形4.2為KD2Pro熱傳導係數測定儀示意圖。
11
圖 4.1: KD2Pro熱熱熱傳傳傳導導導係係係數數數測測測定定定儀儀儀。。。
圖 4.2: KD2Pro熱熱熱傳傳傳導導導係係係數數數測測測定定定儀儀儀示示示意意意圖圖圖。。。
12
4.4 實實實驗驗驗步步步驟驟驟
1. 先把恆溫槽內的水加滿，並且把啟動開關和電熱開關打開。
2. 打開空氣壓縮機，等到壓力到達40kg/cm2再把空氣壓縮機關掉。
3. 把試驗油料倒進試管中，並把試管放進恆溫槽裡。
4. 先把恆溫槽的溫度設定為30◦C，等到恆溫槽的溫度到達了以後，再等待6分鐘，使試管中的油料達成與恆溫槽等溫的均溫狀態後，打開熱傳導係數測定儀，從試管1量到試管6，並且紀錄數據，每測完一次試管內的油必須要把探針擦拭乾淨才能繼續下一個油料量測。
5. 依據上述的步驟每隔5◦C間距做一次實驗，持續做到80◦C。
4.5 實實實驗驗驗條條條件件件
表格4.1為所設定的實驗條件。
4.6 數數數據據據分分分析析析
將所量測的熱傳導係數與溫度關係數據作圖，並分析溫度對熱傳導係數造成了何種影響？
4.7 基基基礎礎礎理理理論論論
4.7.1 KD2 Pro Thermometer
Figs.4.3 are the components of KD2 Pro thermometer, which show the probes photosfor measurements of solid and liquid. The applied technology is detailed as follow:
Carslaw and Jaeger [2] modeled the temperature surrounding an infinite line heatsource with constant heat output and zero mass, in an infinite medium. When a quantityof heat, Q(J · m−1) is instantaneously applied to the line heat source, the temperaturerise at distance, r(m) from the source is
∆T =Q
4πktexp(
−r2
4Dt) (4.1)
where k is the thermal conductivity (Wm−1K−1), D is the thermal diffusivity (m2/s),and t is time (s). If a constant amount of heat is applied to a zero mass heater over aperiod of time, rather than as an instantaneous pulse, the temperature response is
∆T =q
4πkEi(−r2
4Dt), 0 < t ≤ t1 (4.2)
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號次 日期 量測液體 量測液體溫度(◦C) 熱傳導係數(w/m ·K) 說明
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表 4.1: KD2Pro熱熱熱傳傳傳導導導係係係數數數測測測定定定之之之實實實驗驗驗條條條件件件。。。
where q is the rate of heat dissipation (W/m), t1 is the heating time, and Ei is theexponential integral [3]. The temperature rise after the heat is turned off is given by:
∆T =q
4πk[−Ei(
−r2
4Dt) + Ei(
−r2
4D(t− t1))], t > t1 (4.3)
Material thermal properties are determined by fitting the time series temperature dataduring heating to eq. 4.2, and during cooling to eq. 4.3. Thermal conductivity can beobtained from the temperature of the heated needle (single needle), with r taken as theradius of the needle. Diffusivity is best obtained by fitting the temperatures measureda fixed distance (the KD2 Pro uses 6 mm) from the heated needle (k is also determined
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(a) Micro-computerfor capturing data.
(b) Probe for solid. (c) Probe for solid. (d) Probe for liquid.
圖 4.3: KD2 Pro thermometer.
from these data). Volumetric specific heat (Wm−3K−1) is determined from k and D:
C =k
D(4.4)
In each case, k and D are obtained by a non-linear least squares procedure [4] whichsearches for values of k and D which minimize the difference between modeled and mea-sured sensor temperatures. An additional linear drift factor is included in the inverseprocedure. Most experiments will not occur under constant temperature conditions. Weassume there can be a temperature drift that is linear with time and use an additionalfitting parameter to fit this drift. This reduces errors substantially. The theory introducedabove is based on heat flow from an infinite line heat source. For the analytical solutionsjust given to accurately describe the physical behavior of a system, the heat source mustclosely approximate an infinitely long, thin line. Kluitenberg et al. [5] give solutions forpulsed cylindrical sources that are not ideal line heat sources. For a heated cylindricalsource of radius a (m) and length 2b (m), with temperature measured at its center, thetemperature rise during heating (0 < t ≤ t1) is:
∆T =q
4πk
∞∫r2/4Dt
u−1exp(−u)exp[−(a/r)2u]I0(2au/r)erf(b
r
√u)du (4.5)
During cooling (t > t1) it is:
∆T =q
4πk
r2/4D(t−t1)∫r2/4Dt
u−1exp(−u)exp[−(a/r)2u]I0(2au/r)erf(b
r
√u)du (4.6)
Here, Io(x) represents a modified Bessel function of order zero, erf(x) is the errorfunction, and u is an integration variable. As pointed out by Kluitenberg et al. [5],
exp[−(a/r)2u]I0(2au/r) (4.7)
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approaches unity as a/r approaches 0, and
erf(b
r
√u) (4.8)
approaches unity as b/r approaches infinity, reducing eqs.4.5 and 4.6 to 4.2 and 4.3.Inversion of these equations is not practical on a micro-controller such as the KD2 Prouses, but we compared results from these equations with those from equations 4.2 and 4.3for the sensors used in the KD2 Pro. It was found that eqs.4.2 and 4.3 fit the temperaturedata as well as eqs.4.5 and 4.6, but give slightly different values for the fitting parametersk and D. The differences are accounted for in calibration, so the simpler equations 4.2and 4.3 can be used reliably to determine the thermal properties. It should be pointedout that, even though a value for D is obtained from fitting these equations to the singleneedle data, that value is not a reliable estimate of D. Reliable measurements of D areonly obtained from the dual needle measurement. It can also be noted that the needlespacing, r is squared in eqs.4.2 and 4.3. The practical effect of this is that measurementsof heat capacity and diffusivity are very sensitive to needle spacing errors. If the needlesare bent so that the actual spacing is 1% different from the assumed 6 mm spacing, theerror in C and D will be 2%.
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實實實驗驗驗 5
熱熱熱電電電及及及電電電熱熱熱原原原理理理與與與應應應用用用
5.1 研研研究究究目目目的的的
透過測定熱電偶之電動勢與接合點溫度的關係以探討熱電效應(See- beck Effect)，並了解各種熱電偶的規格與應用範圍，再透過反向通電以測定接合點溫度變化以探討電熱效應(Peltier Effect)。之前的實驗僅探討熱電效應(Seebeck Effect)，而且僅規劃學生進行兩種不同的熱電偶之校正工作，學生僅能透過編寫實驗報告時進行理論的理解，無法對熱電偶進行實驗印證，還有，目前對於電熱效應(Peltier Effect)的應用已有產品上市(TE Cooler)，TE Cooler 在航太等高精密裝置的散熱應用十分廣泛，在超晶格(Superlattice) 的應用出現後，TE Cooler 已大大提升製冷效率，而且，PeltierEffect 可說是 Seebeck Effect 的反效應，非常適合一起探討。
5.2 問問問題題題探探探討討討
1. 比較實驗與理論的電壓(mV)－溫度(T1)關係圖，說明實驗誤差的原因。
2. 熱電偶連接到溫度測量校正器的接線為銅線，這會不會影響實驗結果？請以『中間金屬定律』說明理由。
3. K-type與J-type溫度計在實際應用上有何不同？
5.3 實實實驗驗驗設設設備備備
5.3.1 實實實驗驗驗儀儀儀器器器
1. 溫度校正爐(T1)(含電源線)。
2. 恆溫槽、參考溫度顯示器(T2)(含電源線)。
3. J-type及K-type熱電偶。
4. 電壓計。
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5.4 實實實驗驗驗步步步驟驟驟
1. 在恆溫槽中加滿碎冰，並加入數克的鹽，使恆溫槽溫度T2接近0◦C。
2. 開啟溫度校正爐，設定溫度T1。
3. 選擇一支熱電偶，將熱電偶插入溫度校正爐以控制熱電偶一端的溫度，並將熱電偶的另一端接上與電壓計連線之導線，接點經防水保護後，放置於恆溫槽中以控制熱電偶另一端的溫度，記錄輸出的電壓值(mV)。
4. 依序設定T1 = 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300 ◦C，並記錄所量測到的真正T1、T2及輸出電壓值(mV)。
5. 分別對J-type及K-type熱電偶，進行以上實驗。
5.5 實實實驗驗驗條條條件件件
表格5.1為所設定的實驗條件。
溫度T1(◦C) 溫度T2(
◦C) 電壓測定值(mV) 電壓理論值(mV) 熱電偶種類與組成金屬
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
表 5.1: 熱熱熱電電電偶偶偶原原原理理理與與與應應應用用用之之之實實實驗驗驗條條條件件件。。。
5.6 數數數據據據分分分析析析
1. 記錄數據如附表5.1。
2. 作實驗與理論的電壓(mV)－溫度(T1)關係圖(此即熱電偶溫度校正曲線)。
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5.7 基基基礎礎礎理理理論論論
5.7.1 Thermoelectric Thermometry
Seebeck Effect
Seebeck Effect為一熱生電效應；兩不同金屬材料(A, B)接合成連續封閉迴路時，如此將有兩個接合點，當此兩個接合點具有不同溫度時，此迴路會有電流產生。
Peltier Effect
Peltier Effect為一電生熱效應；兩不同金屬材料(A, B)接合成連續封閉迴路時，如此將有兩個接合點，當對此迴路通以電流時，此兩個接合點有一點將有發熱現象，另一點則有吸熱現象。
Thomson Effect
一金屬材料具溫度梯度時，此金屬材料將有電流流動。
效應 說明
Seebeck Effect 不同金屬材料迴路，各焊接點間具溫度差時，產生電流。
Peltier Effect 不同金屬材料迴路，通以電流，各焊接點將有吸熱與放熱現象產生。
Thomson Effect 一金屬材料具溫度梯度時，產生電流。
表 5.2: 金金金屬屬屬間間間熱熱熱電電電與與與電電電熱熱熱效效效應應應比比比較較較說說說明明明。。。
5.7.2 Thermoelectric Cooling
在熱電製冷系統中則是以DC電源、兩種不同的半導體材料，當電流通過此兩種不同材料的接點時，由於兩種材料的電子能階顯然不同，而電子躍遷跨過此一界面時就會發生吸熱與放熱的現象，就如同蒸發或冷凝時的吸熱與放熱，所不同的是傳統系統需要工作冷媒與壓縮機，但熱電系統則以電源和電子流來取代壓縮機與冷媒。熱電效應發現迄今已超過160年，雖然其具備非常迷人的特質，例如無壓縮機、無須冷媒與噪音低的特點；然而應用卻是非常少，這是因為熱電系統一般有三個限制，即(1)效率差；(2)能力小；(3)製冷溫度較高(通常大於0°C)，這三個缺點中尤其以效率差為其真正致命傷。原因﹕熱流由高溫自然流向低溫。
5.7.3 Thermoelectric Law
Law of Homogeneous Circuit
單一均勻金屬導線兩端之熱電動勢只與該導線兩端點之溫度有關，與導線中間之溫度無關。
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Law of Intermediate Metals
一金屬導線由單一或多金屬線組成，任意選定其上不同兩點P, Q，在兩點溫度相同狀況下，兩點間的熱電動勢與其間的導線材質無關。
Law of Intermediate Temperature
一雙金屬迴路，兩接合點溫度差所產生的熱電動勢與溫度差關係有疊加效應，即如由T1 與T3所產生的電動勢E3為由T1與T2所產生的電動勢E1和由T2與T3 所產生的電動勢E2之和。
5.7.4 Thermocouple
利用熱電效應及熱電定律來量測溫度的雙金屬裝置，一般拿來進行高溫量測，即熱端為量測接點，冷端為參考接點。
S-Type: A thermocouple best suited for measurements in the 400 to 1760 degree (C)range.
R-Type: A thermocouple best suited for measurements in the 300 to 1760 degree (C)range.
J-Type: A thermocouple best suited for measurements in the 0 to 480 degree (C) range.The positive conductor is made of iron, and the negative conductor is made ofconstantan.
K-Type: A thermocouple best suited for measurements in the 0 to 480 degree (C) range.The positive conductor is made of chromel, and the negative conductor is made ofalumel.
T-Type: A thermocouple best suited for measurements in the -200 to 0 degree (C) range.The positive conductor is made of copper, and the negative conductor is made ofconstantan.
E-Type: A thermocouple best suited for measurements in the 0 degree to 480 degree(C) range. The positive conductor is made of chromel and the negative conductoris constantan.
B-Type: A thermocouple best suited for measurements in the 1100 to 1820 degree (C)range.
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類型 正極導體 負極導體 測量範圍
(Type) (Positive Conductor) (Negative Conductor) [◦]
B 1100∼1820
E chromel constantan 0∼480
J iron constantan 0∼480
K chromel alumel 0∼480
R 300∼1760
S 400∼1760
T copper constantan -200∼0
表 5.3: 熱熱熱電電電偶偶偶類類類型型型整整整理理理比比比較較較。。。
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實實實驗驗驗 6
奈奈奈米米米太太太陽陽陽能能能電電電池池池製製製作作作與與與效效效率率率測測測定定定
6.1 研研研究究究目目目的的的
學習染料敏化奈米太陽能電池製程，並透過效率測定了解染料敏化奈米太陽能電池之光電與光化反應。光電效應乃開發太陽再生能源非常重要的一項，透過光電效應可進行太陽能的截取，太陽能電池開發也是目前國家重點發展方向之一，而透過對太陽能電池的效率測定，可讓學生深入了解光電效應及影響光電效應的因子。本實驗規劃讓學生自製太陽能電板，以提升學生對光電技術開發的興趣，而選擇染料敏化奈米太陽能電池製作的原因，主要是因為製程不需昂貴的設備。本實驗自行架設光電效率測定儀，可作為研究太陽能電板的效率測定用，除了教學與研究外，很容易與產業結合，更重要的是，可提升學生的動手實作能力。
6.2 實實實驗驗驗設設設備備備
6.2.1 實實實驗驗驗儀儀儀器器器
6.3 問問問題題題探探探討討討
本實驗題材為目前正進行中的開發技術，所有技術由CCT實驗室提供，希望透過本實驗讓學生了解並探討底下幾個問題：
1. 何謂光電及光化效應？
2. 何謂能階(Energy Level)、能帶(Energy Band)與能隙(Energy Gap)？
3. 何謂太陽能電池之吸收光譜？
4. 染料敏化奈米太陽能電池的主要組成元件有那些？
5. 染料敏化奈米太陽能電池之各主要組成元件的個別功能為何？
6. 比較染料敏化奈米太陽能電池與矽晶片太陽能電池之相同與相異處？
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6.4 實實實驗驗驗步步步驟驟驟
6.5 實實實驗驗驗條條條件件件
6.6 數數數據據據分分分析析析
6.7 基基基礎礎礎理理理論論論
6.7.1 光光光電電電效效效應應應
光電效應，簡單來說乃光照射在物體上而將物體上的電子打出脫離物體而產生電流的現象，乃指物體表面在光照射下發射電子的效應，所發射出來的電子叫做光電子。光波頻率大於某一臨界值時方能發射電子，即臨界頻率。臨界值取決於物體材料，而發射電子的能量取決於光的頻率，與光強度無關，這一點無法用光的波動性解釋。還有一點與光的波動性相矛盾，即光電效應的瞬時性，按波動性理論，如果入射光較弱，照射的時間要長一些，物體中的電子才能積累住足夠的能量，飛出物體表面。但是，事實上，只要光的頻率高於臨界頻率，光的亮度無論強弱，光電子的產生都是瞬間的，反應時間不超過十的負九次方秒。
物質吸收光子並激發出自由電子的行為稱為光電效應。1887年德國物理學家赫茲發現光電效應，1905年愛因斯坦提出光子或光量子概念加以解釋，一個光量子的能量為E = hν，光電效應主要與光波的頻率有關，與光的強度無關。
圖 6.1: 光光光電電電效效效應應應。。。
6.7.2 光光光電電電效效效應應應算算算式式式
光子能量= 移出一個電子所需的能量+ 被發射的電子的動能
hν = φ+ Ekmax (6.1)
其中
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1. h是普朗克常數，
2. ν是入射光子的頻率，
3. φ = hµ0 是功函數，從原子鍵結中移出一個電子所需的最小能量，
4. Ekmax = 12mv2m是被射出的電子的最大動能，
5. ν0是光電效應發生的閥值頻率，
6. m是被發射電子的靜止質量，
7. vm是被發射電子的速度，
如果光子的能量（hν）小於功函數（φ），就不會有電子射出。當這個算式與觀察不符時（即沒有射出電子或電子動能小於預期），乃因為某些能量變成熱能或輻射而消失。
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參參參考考考文文文獻獻獻
[1] 劉垂芳、林啟瑞, 機械工程實驗(三)-熱工實驗, 全華科技圖書股份有限公司, Edi-tion=8th, ISBN=957-21-2167-7, 1998.
[2] H.S. Carslaw and J.C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Oxford, London, 2ndEdition, 1959.
[3] M. Abramowitz and I.A. Stegun, Handbook of mathematical functions, Dover Publi-cations, Inc., New York, 1972.
[4] D.W. Marquardt, An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters,J. Soc. Indust. Appl. Math., 11:431-441, 1963.
[5] G.J. Kluitenberg, J.M. Ham, and K.L. Bristow, Error analysis of the heat pulse methodfor measuring soil volumetric heat capacity, Soil Sci. Soc. Am. J., 57:1444-1451, 1993.
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