核心概念
物理學
熱傳遞
隔熱
材料科學
引言
當冬天變得非常寒冷時，你會做什麼？你可能會開啟暖氣，多穿一件衣服或依偎在溫暖的毯子下。但是你有沒有想過為什麼夾克可以幫助你保持溫暖？為什麼我們的衣服是用織物而不是箔製成的？在這個活動中找到答案；你的結果甚至可以幫助你找到在寒冷中保持溫暖的最佳方法！
背景
熱是一種能量形式。你需要能量來加熱東西：例如，一杯茶。為了泡茶，你可能會使用電力或燃氣中的能量。然而，一旦你的茶熱了，它就不會永遠保持熱度。只要把茶杯放在桌子上放一會兒，你就已經知道它會隨著時間的推移而變冷。這是由於一種稱為熱傳遞的現象，它是以熱的形式存在的能量流動。如果兩個物體的溫度不同，一旦它們接觸，熱量就會自動從一個物體流向另一個物體。熱能從較熱的物體傳遞到較冷的物體。就茶而言，液體的熱量被傳遞到周圍的空氣中，而周圍的空氣通常比茶冷。一旦兩個物體達到相同的溫度，熱傳遞就會停止。透過流體（液體或氣體）的運動進行的熱傳遞稱為對流。
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另一種熱傳遞方式是傳導，在這種方式中，能量透過一種物質（通常是固體）從一個粒子移動到另一個粒子（這與對流不同，對流中移動的是受熱的物質本身）。鍋柄變熱就是一個傳導的例子。
熱也可以透過輻射傳遞。你可能從坐在篝火旁體驗過。雖然你沒有接觸到火，但即使外面很冷，你也能感覺到它在你的臉上輻射熱量。如果你喜歡喝熱茶，你可能會問如何減少熱傳遞，以及如何防止茶冷卻下來？答案是隔熱。隔熱意味著在熱物體和冷物體之間建立一個屏障，透過反射熱輻射或減少從一個物體到另一個物體的熱傳導和對流來減少熱傳遞。根據屏障的材料，隔熱效果會有所不同。導熱性很差的屏障是良好的隔熱體，而導熱性很好的材料的絕緣能力很低。在這個活動中，你將藉助一杯熱水來測試哪些材料是好的或壞的隔熱體。你認為哪種材料最有效？
材料
五個帶蓋子的玻璃罐
剪刀（和大人幫忙剪）
膠帶
鋁箔
氣泡膜
羊毛圍巾或其他羊毛衣物
紙
熱自來水
溫度計
冰箱
計時器
用於書寫的紙
筆或鉛筆
準備
剪下一塊鋁箔、氣泡膜和紙（如有必要，請大人幫忙）。每塊都應足夠大，可以繞玻璃罐的側面三圈。
取一片鋁箔，將其包裹在其中一個罐子的側面。你應該在玻璃罐周圍有三層箔。用膠帶將鋁箔粘在罐子上。
接下來，用氣泡膜包裹另一個罐子，使玻璃也覆蓋三層。確保將氣泡膜粘在罐子上。
使用裁剪好的紙，用三層紙包裹第三個罐子。再次將紙粘在玻璃罐上。
取另一個玻璃罐，將圍巾或其他羊毛織物纏繞在罐子上。只包三層，並確保圍巾牢固地粘在罐子上。
將最後一個罐子不加任何包裹。這將作為你的對照。
步驟
用相同量的來自水龍頭的熱水填充每個罐子。
使用溫度計測量每個罐子中的溫度。將你的手指伸入每個罐子的水中（如果你的自來水很熱，請小心）——水溫感覺如何？
寫下每個罐子的溫度並蓋上蓋子。所有溫度都相同還是有差異？差異有多大？
開啟冰箱，將所有五個罐子放入。確保它們仍然包裹牢固。感受一下冰箱的溫度——它感覺溫度如何？
將溫度計放入冰箱。當你把溫度計放入冰箱時，溫度計讀數是多少？
一旦所有罐子都放在冰箱裡，關上冰箱門並將計時器設定為 10 分鐘。你認為在那段時間裡，罐子和熱水會發生什麼？
10 分鐘後，開啟冰箱，取出所有罐子。罐子的感覺不同嗎？
一次開啟一個罐子，用溫度計測量水溫。此外，用你的手指感受溫度。溫度是否發生變化？根據溫度計，它是如何變化的？
重複測量每個罐子的溫度，並寫下每種包裹材料的溫度。每個罐子中的溫度變化方式是否相同？哪種包裹材料導致的溫度變化最小，哪種導致的溫度變化最大？
為了更好地比較，計算每個罐子在測試開始和結束時的溫差（開始時的溫度與在冰箱中放置 10 分鐘後的溫度）。從你的結果中，你能分辨出哪種材料是最好的或最弱的隔熱體嗎？
額外：對於每種材料，溫度會繼續以類似的方式變化嗎？你可以再次蓋上每個罐子，然後將它們放回冰箱 10 分鐘。這次的結果是不同還是相同？
額外：在冰箱中，水溫的變化與在冷凍室中或室溫下相同嗎？重複測試，但這次不是將玻璃罐放入冰箱，而是將它們放入冷凍室或保持在室溫下。水溫在 10 分鐘內變化多少？不同的包裝材料表現是否不同？
額外：嘗試找到你認為好的或壞的隔熱體的其他材料並進行測試。哪種材料效果最好？你能想到原因嗎？
額外：如果你在 10 分鐘後將罐子從冰箱中取出，你可能仍然會測量到罐內水的溫度與冰箱內的溫度之間存在差異。你可以將玻璃罐在冰箱中放置更長時間，並每隔 15 到 30 分鐘測量一次溫度。水溫多長時間不再變化？玻璃內水的最終溫度是多少？
額外：除了選擇合適的絕緣材料外，還有哪些其他方法可以改善隔熱效果？僅使用一種包裹材料重複此測試。這次改變你的絕緣層的厚度。你是否發現絕緣層厚度與冰箱中的溫度變化之間存在關聯？
觀察和結果
你的熱水在冰箱內 10 分鐘內是否明顯冷卻？儘管冰箱溫度很低，但你的熱水溫度很高。當熱能從熱物體流向冷物體時，一旦你將玻璃罐放入，熱水的熱能就會傳遞到冰箱內周圍的冷空氣中。這種情況下的主要熱傳遞機制是對流，這意味著緊挨著熱罐子的空氣被熱水加熱。然後，暖空氣被冷空氣替換，冷空氣也被加熱。同時，冷空氣使罐內的水冷卻。熱水的熱量透過杯子周圍冷空氣的流動而被帶走。如果將罐子在冰箱中放置足夠長的時間，你可能會觀察到溫度變化，直到熱水達到冰箱內的溫度。如果水和冰箱之間沒有溫差，熱傳遞就會停止。
水的熱量也會透過傳導損失：熱量透過材料傳遞，這取決於材料本身的熱導率。玻璃罐可以相對很好地傳導熱量。當你用熱水觸控玻璃罐時，你會注意到玻璃也感覺很熱。不同的包裹材料有什麼效果？你應該注意到，使用包裹材料後，在冰箱中放置 10 分鐘後，水的溫度比未包裹的對照組要高。為什麼？包裹玻璃罐減少了從熱水到冰箱內冷空氣的熱傳遞。使用熱導率非常低的包裹材料可以減少透過傳導的熱量損失。同時，絕緣體還可以擾亂或減少玻璃罐周圍的冷空氣流動，從而減少透過對流的熱量損失。
減少對流的一種方法是在罐子周圍形成氣穴，例如，使用氣泡膜、織物或羊毛等絕緣材料，它們有大量的氣穴。一般來說，空氣是良好的隔熱體，但它可以透過對流傳遞熱量。但是，如果絕緣材料內的氣穴彼此分離，則熱量不易從一個氣穴流向另一個氣穴。這就是為什麼你應該測量到氣泡膜包裹的罐子和織物包裹的罐子中溫度最高的原因。這也解釋了為什麼我們的大部分衣服都是用織物製成的，以及為什麼當你多穿一件夾克時會更暖和。紙和鋁箔更容易讓熱量散失，因為它們沒有很多氣穴。
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