Transcript 「燈泡升溫端」開始實驗
壹、研究動機 傳統的蠶絲利用方法為「抽絲」「剝繭」。抽絲：是將蠶 繭煮開後抽絲，再作成絲綢，非常費工及耗時，因而絲綢是非 常高貴的紡織品。剝繭：將蠶繭煮開，再一粒粒剝開、拉成薄 薄的小塊「片狀絲絮」，大部份用來作成「蠶絲被」，施作時 需將「片狀絲絮」一塊塊鋪成一層、再一層層疊成被子，也是 相當耗時。不管是「抽絲」還是「剝繭」的方法，除了耗時費 工外，最重要的是蠶蛹會被煮死，極為殘忍。控管統一~五齡蠶 的吐絲時間，讓蠶同時於平板上吐絲，不讓絲吐成繭，即能形 成平面繭，蠶絲和蠶蛹會自然分開。再將整件平面繭的膠質煮 開後即可一次拉成一層被絮，不用像傳統的剝繭方式一樣一粒 粒的處理蠶繭及蠶蛹，比較省時省工。蠶蛹不會因為煮繭而死 亡，可作其他利用，符合現代社會所訴求的「省時」、「省 工」、「環保」、「護生」。「蠶絲平面繭」做成的「蠶絲被」 是符合訴求的運用方式，但其保暖性如何？和其他常用於被絮 之纖維材質「羊毛」、「棉花」、「人造棉」等是否有較佳的 保暖性？要運用什麼方法才能做出科學性的比較成果？ 貳、研究目的 一、 探討不同纖維的保暖性和熱傳導性的關係 二、 物質熱傳導性的有哪些因子 三、 蠶絲傳統與現在應用之研究 參、研究設備及器材 一、實驗器材 項目 數量 數位相機 1台 數位錄影機 1組 說明 含三腳架 TEC1-12704、12v、4A 致冷晶片 1塊 散熱片 2塊 散熱風扇 2組 散熱膏 一瓶 燈泡 1個 含燈泡座 電源供應器 1個 350w 電線、插頭 適量 40mm*40mm*4.8mm 有探針感應器 電子溫度計 2個 計時器 1個 最大計數99分鐘 透明水管 6根 內徑3.8mm，外徑4.0mm 電子秤 1個 最小感應秤重 珍珠板 數塊 保利龍板 數塊 保利龍膠 1瓶 美工刀 1支 取樣頻率20次/秒 厚24mm 二、實驗材料 項目 數量 說明 取自：泉明生態教育蠶業 平面繭 適量 羊毛 適量 取自：羊毛被 棉花 適量 醫用脫脂棉 人造棉 適量 農場 肆、儀器的設置及實驗過程 熱傳導」及「熱輻射」等四種方式從人體表面散入環境中。因 此人類會穿上衣服、蓋上被子來減緩身體的熱量的散失。「傳 導」屬於接觸性的熱傳遞，而所用來禦寒的衣物，緊貼身體， 因此是一個保暖性的重要因子。 熱傳導性是一個物質的導熱性能，在同一物質內從高溫處傳 到低溫處。 熱導率公式 Q L k t AT k：熱導率、Q：熱量、 t：時間、L：長度、A：面積、T： 溫度差 其定義為在單位溫差下﹐單位時間通過單位面積單位距離的 熱量﹐稱為該物質之熱傳導係數。 因此「熱傳導性」較低的材質代表能在相同的溫差下，能比 較緩慢的將溫度傳至低溫處，能將溫度保存在高溫端。若是人 體蓋棉被的情形下，則人體的體溫散失較慢者，則保暖性較佳， 因此保暖性佳代表熱傳導性低。 二、分析及構想 由上述公式可知有下列變數需分析 Q：熱量 同體積的物體，所產生之溫度變化為其熱量變化 t：時間 經過的時間可量測 L：長度 試體之長度可控制為同樣長度 A：面積 試體之斷面積可控制為同樣面積 T：溫度差 試體兩端之溫度差，溫差愈大愈容易形成熱流，一 端設為高溫端，模擬人體溫度，一端為設低溫端，模擬冬季之 氣溫 若以人體體溫為探討的溫度點，我們需要一個設備，一端為 高溫能達37°C以上，一端為低溫能降至冬季氣溫約10°C以下， 兩端均需有溫度計以量測溫度及計算溫度差，我們以人體的體 溫為數據的取用點，因此我們希望的成果是在35°C～38°C之間， 但實驗的初始階段及結束階段比較不穩定，數據會不穩定，因 而將實驗的溫度範圍定在25°C～40°C之間，以利取用實驗中間 階段數值。 高溫端：加熱的設備較容易，使用燈泡最簡單、安全。是 我們觀察溫度變化以計算「熱量」變化地方。 低溫端：降溫較不容易，若使用冰塊最簡單，但不易控制 溫度及不方便長時間使用，而壓縮機之設備費用龐大。因此採 用「致冷晶片」接上直流電源即可使用，應是較符合本實驗之 降溫方式。以10°C為我們實驗的希望溫度，以計算兩端的「溫 度差」。 兩個溫度端間接試驗試體，用於傳導兩端的溫度及試驗熱傳 導度。 箱體材質：使用較簡單加工及具有較低熱傳導性質之保麗龍 施作 基於上述分析後，設計及施作「導熱性測試箱」 三、製作導熱性測試箱 (一) 致冷晶片降溫組 1.利用舊電腦拆下的電源供應器提供12V之直流電源。 2.利用舊電腦拆下的CPU散熱風扇及散熱片2組，一組供致 冷 晶片之背面散熱用，在本文稱為「散熱片風扇組」，另一組供 致冷晶片正面散發冷空氣用，在本文稱為「冷空氣散發片」。 3.組合時先確認致冷晶片之正反面，均勻塗上散熱膏後貼合致 冷晶片與散熱片，並以橡皮筋固定住。 4.將致冷晶片及散熱風扇都接上電源供應器之12V電源，注意 紅色為正極，黑色為負極。 5.打開電源，試看看散熱風扇是否會運轉，並看看「冷空氣散 發片」是否變冰冷，將致溫度計之感應探針接觸「冷空氣散發 片」，觀察降溫情形，經過約40分鐘，降至3°C，並在冷空氣 散發片上結成一層霜，降溫能力符合本組的實驗需求，但表面 結霜會影響降溫速率，因而決定在冷空氣散發片上加裝風扇， 並向外側吹，可加速冷空氣傳遞速度及避免結霜。 一、探討蠶絲平面繭與其他棉被填充物保暖能力的 比較 實驗一代： 將檢驗物剪成30×15cm的大小，對折後在空隙中放入裝有 300ml、50℃熱水的熱水袋，並插入一枝溫度計，測量多少時 間後熱水會降到室溫。 ●優點：方便、簡單、易操作 ●缺點：實驗時間長、變因多、誤差大 實驗二代：製做導熱性測試箱來協助實驗 一、保暖性之物理性採討 以人體而言，人的體的熱量會以「汽蒸發」、「熱對流」、 圖2-1 塗散熱膏並貼 上致冷晶片 圖2-2 貼上散熱片 圖2-4 接上電源供應 圖2-5 試機可降至約 器 3.5°C 圖2-3 用橡皮圈固定 散熱片 圖2-6 散熱片已結霜 ~蠶絲平面繭之保暖性試驗 (二)燈泡升溫組 將燈泡座接上電源線、開關及插頭。 裝上燈泡及插上插頭，並打開開關。 試驗燈泡會亮，並將溫度計之感應探針接觸燈泡，觀察溫度上升情形，可 升至溫度50°C，符合實驗需求。 圖2-7 將燈泡接上電源、開 關及插座 圖2-8 用溫度計量測 圖2-9 打關開關測試溫度 (三)試體管製作 1. 試體管使用外徑40mm，內徑28mm之透明管，長度50mm，以鋸片鋸 出所需長度。 2. 用電子秤量取出「蠶絲平面繭」、「羊毛」、「棉花」、「人造棉」各 1.00公克，並各自將其拉成薄狀絮狀，均勻地分層填入管內，並於外管貼 上材質標籤。 (四)箱體製作 1. 實驗所需之箱體分3個空間，一個為降溫端，尺寸為 10cm*10cm*10cm，一個為升溫端，尺寸為10cm*10cm*10cm，兩者中 間之試體放置空間，尺寸為10cm*10cm*5cm，3者合併後，所需之空間尺 寸為25cm*10cm*10cm。 2. 使用厚度2.4cm之保麗龍板組成，內部實際尺寸為 5cm*10cm*10cm的空間，並加蓋，以便更換試體及檢修零件。 3. 中間試體管之置放空間，因需更換，需有蓋，分上下兩部份，下部和箱 體黏合，上部為活動蓋，切出試體管的空間。 4. 完成內層箱體。 5. 為了提高隔熱效果，於外層加作一層，讓箱體厚度達4.8cm 圖1-1 保麗龍箱體 圖1-2 箱體和試體管的結 合構件 圖2-28 導熱性測試箱的解析 圖1-3 內箱體和蓋子 (六)試機 1.將試體管置入，加上蓋子。 2.插上電源。 3.打開降溫端開關，觀察降溫端情形，在室溫25°C時，約可降至5°C。 4.打開升溫端開關，觀察升溫端情形，可升至50°C以上，但怕保麗龍會太 熱而熔化，不在再往上測試。 5.同時關掉兩邊開關，觀察兩端溫度變化情形，可觀察到升溫端會降溫， 降溫端會升溫，當兩端在溫差約10°C時趨緩慢。 四、試驗方法 一、置入待測「試體管」 本實驗計有「蠶絲」「羊毛」「棉花」「人造棉」等待測試體管，將依 上述順序輪流置入「導熱性測試箱」內實驗。妥善將待測「試體管」放入 「導熱性測試箱」注意兩端的纖維不要移位，裝妥後蓋上箱蓋。 二、開啟「致冷片降溫端」開始降溫 因為為降溫比升溫不容易，因此降溫端要先啟動。開啟順序為先打開 「致冷片降溫端」的電源供應器開關、注意致熱晶片的散熱風散是否運轉 正常、觀察溫度計的降溫情形，實驗時此端希望能穩定的停留在10°C左右， 以模擬冬季時之溫度。 三、架設攝影機 本實驗有計時器及兩個溫度需要程錄影，實驗完成後再播放影帶方式逐 次記錄時間觀察及紀錄，不容易同時準確讀取秒數及兩個溫度計之度數。 因此實驗過程以攝影機全和溫度的關係。架設時需注意避免溫度計面板反 光而無法拍攝到讀數的問題。 四、開啟「燈泡升溫端」開始升溫 在「致冷片降溫端」降至10.5°C左右時，開啟「燈泡升溫端」開始升溫， 逐漸升至50°C時觀察致冷晶片降溫端是否降至10°C左右，若已降至10°C 左右，則關閉燈泡之開關以調節兩端之溫度至為10°C及50°C左右。 五、打開攝影機開始攝影 當兩端溫度為10°C及50°C左右時準備開始實驗，打開攝影機開始紀錄過 程。 圖1-4 外箱體完成 圖1-5 中間試體管的蓋板 圖1-6 三個內蓋 (五)組件組裝 組裝致冷晶片降溫組 (1.) 將左側箱體後方開孔，能容納「冷空氣散發片組」裝入。 (2.) 開斜口以助「散熱片風扇組」空氣流通。 組裝燈泡升溫組 (1.)將右側箱體後側鑽1孔，以容納燈泡座。 (2.)將燈泡座穿入，裝上燈泡。 (3.)將電源線接上。 安裝溫度計 (1.)在箱體前方側中央均鑽1圓孔，以便穿入之感應探針。 (2.)穿入感應探針，安裝至定位。 (3.)立起溫度計。 架設計時器 (1.)計時器置於兩個溫度計中間，調整成同樣傾斜角度，以方便同時閱讀。 六、關閉「燈泡升溫端」開始實驗 「燈泡升溫端」是本組的實驗端，停止供熱後即開始實驗。而「致冷片 降溫端」持續運轉不關掉以維持10°C之溫度。 七、打開「計時器」 實驗端的溫度變化是本組的實驗重點，因此需要計時，以計算單位時間 的熱量變化，打開計時器開始計時。 八、觀察及紀錄 觀察兩端的溫度變化、時間及攝影機是否正常錄影，散熱器風扇是否正 常運轉等，並拍相片紀錄。待「燈泡升溫端」實驗端降至25°C以下時即可 結束實驗。 重復上述實驗，分別將「蠶絲」「羊毛」「棉花」「人造棉」等試驗完成。 圖2-1 置入待測「試體管」 圖2-2 開啟「致冷片降溫端」 圖2-3 開啟「燈泡升溫端」 並蓋上上蓋 圖1-7 組立致冷晶片降溫 組 圖1-8 組立燈泡組 籤 圖1-11 組立完成之正面 開始升溫 圖1-9 「導熱性測試箱」內 部 圖2-4 兩端溫度符合需求 圖1-10 箱體外正面貼上標 開始降溫 圖1-12 組立完成之側面 圖2-5 以數位攝影機紀錄 圖2-6 試驗端降溫至25°C以 下，完成實驗 伍、實驗結果 一、「蠶絲」的保暖性和熱傳導性關係實驗 五、「空氣」的保暖性和熱傳導性關係實驗 表1 蠶絲平面繭高溫端與係數關係圖：蠶絲平面繭在接近室溫 表5 空氣高溫端與係數關係圖：空氣在接近室溫時，導熱係 時，導熱係數約在0.0010~0.0015之間。蠶絲平面繭在接近體溫 數約在0.0025~0.0035之間。空氣在接近體溫時，導熱係數約 時，導熱係數約在0.0025~0.0030之間。依照常理係數應該為一 在0.0035~0.0045之間。依照常理係數應該為一條水平線 ， 條水平線 ，但應為實驗中有誤差故下降的趨勢。 但應為實驗中有誤差故下降的趨勢。 二、「羊毛」的保暖性和熱傳導性關係實驗 表2 羊毛高溫端與係數關係圖：羊毛在接近室溫時，導熱係數 陸、討論 一、實驗一：探討不同纖維的保暖性和熱傳導性的關係 藉著實驗得知：在高溫端接近室溫(25°C ~26°C)時，因和外接 溫度相仿，溫差較小，得到的數據和事實的數據是比較接近的， 為羊毛之保暖性最佳，蠶絲次之。但如果是接近人體體溫 (35°C~38°C)時，數據的誤差比較大，但仍符合事實數據的大 小關係，為羊毛之保暖性最佳，蠶絲次之。但在高溫(38°C＞) 時，會因和外界溫差過大，造成了高溫端的熱量快速外洩，造 成數據的有相當大的誤差。 藉著表.1得知蠶絲平面繭的整體系數約在0.00374~0.001039。 藉著表.2得知羊毛的整體系數約在0.002740~0.000901。 藉著表.3得知棉花的整體系數約在0.003652~0.01166。 藉著表.4得知人造棉的整體系數約0.004859~0.002647。 藉著表.5得知空氣的整體系數約在0.003030~0.002333。 約在0.0010~0.0015之間。羊毛在接近體溫時，導熱係數約在 0.0020~0.0025之間。依照常理係數應該為一條水平線 ，但應為 實驗中有誤差故下降的趨勢。 三、「棉花」的保暖性和熱傳導性關係實驗 二、實驗二：影響物質熱傳導性有哪些因子 藉由熱導率公式k = (Q/t) *L/(A*T)得知，本實驗可能的變因為 時間、長度、面積、溫度差，本組利用控制實驗時間、試體管 長度、試體管截面積、高溫低溫的溫差來增加實驗準確性，但 保麗龍箱的隔熱效果仍稍嫌不足。故實驗的仍有些許的誤差。 三、實驗三：蠶絲傳統與現在應用之研究 現在可藉由使蠶吐出平面繭的方式來利用蠶絲。比起傳統的 「抽絲」「剝繭」耗時且耗工，這種方法不但是更簡單、有效 率外，也更加的人道。且可以更簡單的製作蠶絲被。 柒、結論 一、 實驗成果 (一)實驗的成果：下表為實驗成果數據整理 35°C~38°C 25°C~26°C 試驗材質 平均係數 試驗材質 平均係數 蠶絲平面繭 0.002528 蠶絲平面繭 0.001278 約在0.0010~0.0015之間。棉花在接近體溫時，導熱係數約在 羊毛 0.002468 羊毛 0.001086 0.0020~0.0035之間。依照常理係數應該為一條水平線 ，但應為 棉花 0.002857 棉花 0.001575 人造棉 0.003867 人造棉 0.002931 表3 棉花高溫端與係數關係圖：棉花在接近室溫時，導熱係數 實驗中有誤差故下降的趨勢。 四、「人造棉」的保暖性和熱傳導性關係實驗 表4 人造棉高溫端與係數關係圖：人造棉在接近室溫時，導熱 係數約在0.0035~0.0040之間。人造棉在接近體溫時，導熱係數 約在0.0025~0.0035之間。依照常理係數應該為一條水平線 ，但 應為實驗中有誤差故下降的趨勢。 (二)熱傳導係數：「羊毛」≒「蠶絲」<「棉花」<「人造棉」 也就是說保暖性：「羊毛」≒「蠶絲」>「棉花」>「人造棉」 因此可以知道就保暖性而言，「蠶絲」是極佳的纖維產品。 「蠶絲」≒「羊毛」本身就是綿羊抵禦寒冬的利器，本身有脂 質及表面有鱗狀突起可吸附暖空氣。一般坊間的說法，3kg的 「蠶絲被」能抵6kg的「棉被」的保暖效果，從本研究之數據得 知暖效果並無如此大的差別。 二、 建議 (一)本研究之成果得知「蠶絲」與「羊毛」保暖性相當，但 「蠶絲」的產量遠低於「羊毛」，而價格也遠貴於「羊毛」， 而其保暖性卻相同？那為何要選用「蠶絲」來當被絮？因為本 研究僅就熱傳導的物理性來實驗，其他還有「汽蒸發」、「熱 對流」、及「熱輻射」等保暖性因素尚未實驗及考慮。 (二)尤其最重要的是「透氣性」及「吸濕性」更會影響保暖衣 物的舒適性，因此建議可以另外的研究探討「保暖性」「透氣 性」「吸濕性」「舒適性」之相互關聯性。 (三)本實驗使用致冷晶片來降低溫度，但不容易控制在穩定的 溫度範圍內，應該有合適的控制方式作為研究課題。 (四)保麗龍箱的隔熱效果仍稍嫌不足。