什麼是牛頓冷卻定律?
牛頓冷卻定律描述物體與周遭環境交換熱量時,溫度如何隨之變化。它指出:物體溫度的變化速率,與物體溫度和環境(周遭)溫度之間的差值成正比。當這個溫差逐漸縮小時,物體冷卻(或加熱)的速度也會跟著變慢,並以漸近的方式趨近周遭溫度。
計算公式
冷卻微分方程的解如下:
$$T(t) = \text{T}_s + \left(\text{T}_0 - \text{T}_s\right) \cdot e^{-\text{k}\,\text{t}}$$
其中 \(T(t)\) 為時間 \(t\) 時的溫度,\(T_s\) 為周遭環境溫度,\(T_0\) 為初始溫度,\(k\) 則是冷卻常數(單位為 1/時間),其大小取決於物體本身與所處的環境。\(k\) 值越大,代表冷卻速度越快。
如何使用本計算機
請依序輸入周遭環境溫度、物體的初始溫度、冷卻常數 \(k\),以及經過的時間 \(t\)。計算機會回傳該時間點的預測溫度,並顯示此溫度仍高於(或低於)環境多少。請注意溫度與時間的單位必須一致——例如 k 以每分鐘為單位時,t 也要以分鐘計算。
實際範例
一杯 100° 的咖啡放在 25° 的房間裡,冷卻常數 k = 0.1(每分鐘)。經過 10 分鐘後:$$T = 25 + (100 - 25)\cdot e^{-0.1\cdot 10} = 25 + 75\cdot e^{-1} = 25 + 75\cdot 0.367879 \approx 52.59°$$也就是說,這杯咖啡已冷卻至約 52.6°,仍比室溫高出約 27.6°。
常見問題
冷卻常數 k 是什麼?它是一個由實驗得出的常數,反映熱量散失的快慢,與物體的表面積、材質以及熱傳導條件有關。你可以透過兩個實測溫度值來推估它。
這個公式也適用於加熱嗎?可以。若 T0 低於 Ts,同一條方程式同樣能預測物體逐漸升溫並趨近環境溫度的過程。
為什麼物體始終無法真正達到室溫?由於指數項只會趨近於零,卻永遠不等於零,因此在數學上,溫度只能以漸近的方式無限接近 Ts,而不會完全相等。