科學玩具－熱學－天寒地凍中的熱情溫度計

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年11月26日。

在寒流來的時候，人們總是把自己包得緊緊的，在沒有旺盛毛髮及厚實的皮下脂肪保暖下，利用高級的羽絨、羊毛、蠶絲等額外添加的衣物將空氣圍裹在身體週邊，利用不流動的空氣熱傳導不佳的效果，讓身體散發出去的熱量不至於太快流失，若是空氣層的保暖性佳，身體就不需要一直補充散失的能量來維持體溫的恆定。

不過，內溫動物有其保持體溫的方法，外溫動物也有相對應的方式，但是對於非生物呢？環境條件的不同在它們身上就是最忠實的改變，毫無保留地展現並趨向平衡。像是溫度改變使得大部分的物質會呈現熱脹冷縮的現象，水的表現也是如此，不過在溫度與體積的示意圖中卻只有攝氏4度以上才表現出熱脹冷縮的物理變化，而且不是正比的關係。

氣體也是相同的，而且膨脹率較固體與液體更大，因此密閉空間的體積變化甚為明顯。若是依理想氣體方程式來看，溫度變化和體積變化成正比，這裡所適用的是克氏溫標，以零下273度為基準，體積的改變（ΔV）也跟ΔT/273成正比。當寒流到來的某天進辦公室的時候，發現放在桌上的熱情溫度計有了和平常不同的現象，溫度計上半部的液體幾乎都流光了。

原本顯示用的紅色液體已不復存在，全部經由中間的連接管道流到下方的空間

原因出在氣體的壓力降低

原本的訝異轉變成寂靜的思考，因為裡面的氣壓降低是因為溫度下降所致，將熱情溫度計放在冰箱裡面不是也會這樣嗎？當把辦公室的門再度關上時，少了流動的風的吹拂，室內的溫度稍為提高之後，沒有直接將溫度計握在手中而是放在玻璃桌墊上，中央空心管裡的液體轉為緩緩上升，代表著瓶內的氣壓逐漸上升。

在沒有風的辦公室裡，液柱緩緩上升的原因是瓶內的壓力正在增加
壓力增加是因為讓流動的空氣帶走的熱量減少，溫度變化持平，甚至微微上升

這裡面的現象牽涉到兩種接觸物質，其一是流動中的空氣，其二是桌面上的玻璃，而且兩者的熱傳導率並不相同。流動的空氣帶走熱能的效果是比較好的，所以有風的時候降溫效果比較好並不足為奇。但是吹拂了一陣子，使得辦公桌上的玻璃和溫度計的玻璃都已經和環境達到了暫時的熱平衡之後，這時候再把門關起來，卻發現了平常所忽略的短暫現象。

上下瓶身的通道有兩個，除了愛心旁邊的小孔，另一個是位於中央的中空管柱

不管流下去的通道是哪個，都是因壓力變化所造成的

剛剛提到的風（因為壓力差異而流動的空氣）如果不復存在呢？這時候和溫度計接觸的就剩下「桌面上的玻璃」和「不流動的空氣」了，而和剛剛不同的現象馬上出現，而且出現的時間很短暫，所以要仔細觀察才行。因為不流動的空氣保暖性較玻璃佳，且玻璃製的厚桌墊溫度雖不容易下降卻也不容易上升，因此維持與方才差不多低溫的厚玻璃桌墊這時候相對地較上方空氣低溫，所以溫度計上方與下方溫度的細微差異就會存在，形成了氣泡向下擠壓的現象。

中央管內的氣體正逐漸向下壓迫，可見上方的溫度只比下方的溫度稍高

氣壓甚至還能勝過靜止液體的壓力

有關於熱的實驗和教具比較難以蓬勃發展，尤其是在溫度的變化與熱量的計算上，原因之一在於雖然溫度升降對於我們來說雖然是能量進出的表徵，但是熱能卻是一種難以完全掌握的能量，不論是任何形式的能量在轉換過程中都或多或少會產生無法利用的熱能，看不見摸不到，只能憑感覺來知曉它存在於這個世界，也只能努力提升不同形式間的能量轉換效率。