热力学I温度与平衡

1、熱力學 I溫度與平衡 十八世紀前人類對熱現象的認知還帶有點神秘的色彩在其中，熱力學較科學化的發展可溯源自工業革命時代，人類對熱與機械功之間轉換關連的研究，影響熱力學源起發展的一個非常重要因素為溫度的觀念。焦爾(Joule)等人的實驗結果與荷姆赫滋(Helmholtz)等的理論研究共同成就了熱現象中的能量守恆的原則，此原則奠下了熱力學第一定律（1942年由Mayer提出）的基礎。1繼焦爾等人之後對熱力學發展影響較大的當屬卡諾(Sadi Carnot)。卡諾提出可逆熱機的概念，並推導出最高熱機效率的原則，實際上即為熱力學的第二定律。卡諾的理論的提出事實上早於熱力學第一定律，但熱力學第二定律理論正式

2、的提出是在第一定律成立之後才由克勞修斯(Clausius)自卡諾理論中發現，而熵(entropy)的名稱與概念於1865年由克勞修斯正式賦予。在這之後，能司特(Nernst)與普郎克(Plank)由低溫中熱力學現象提出了熱力學第三定律。 2十九世紀接近尾聲時，原子的概念逐漸被接受，於是科學家們嘗試各種方式經由集體原子或分子的平均行為來表達宏觀熱力學的參數如溫度、壓力等，此為動力理論(kinetic theory)的起始。動力理論逐漸的發展為一門更為完備的熱力學理論，也就是現在所熟知的統計熱力學(statistical mechanism)。 傳統上物理學於探討熱現象理論，可區分為宏觀現象理論的

3、熱力學 (Thermodynamics) 與微觀結構理論的統計物理學(Statistical Physics) 3宏觀角度: 宏觀角度對熱現象的探討，主要是透過實驗與觀察來歸結出其中的規律，因而宏觀熱力學理論較為可靠與普遍。 開放 穩定態(stable state)系統 封閉 平衡態(equilibrium state)尋找可量測的變數(座標)來描述系統的狀態，這些宏觀變數的特性為:對系統的成分物質結構，交互作用力場等等無特殊假設條件數量有限且總數一般而言皆不多為可量測得的基本量可直接量測4微觀角度: 微觀角度主要自物質的微觀結構著眼，考慮其組成份子的基本單位粒子（分子、原子等）的運動狀態，並

4、探討粒子間的各種交互作用。 系綜(ensemble) 此基本單位粒子所形成可能狀態系統的集合 平衡態系綜的最大機率狀態所以微觀統計理論的基本問題為：(1)定義系統微觀能階狀態(states)； (2)尋找平衡時的狀態分佈。微觀變數的特性可大略描述如下：(1)存在假設條件：對物質特性、結構、力場等的假設(2)非量測特性-通常多為數學上模型(3)無法直接量測得到，多為計算所得 5機械平衡(mechanical equilibrium)：當一系統的內部之間，或與外界環境之間的合力與合力矩皆為零時。化學平衡(chemical equilibrium)：一處於機械平衡的系統，無自發性內部結構變化（如化學

5、反應等），或物質傳輸現象（如擴散或溶解等）時，即稱為處於化學平衡。熱平衡(Thermal equilibrium)：系統處於機械與化學平衡狀態，且該描述該系統的參數無自發性變化時，我們稱之處於熱平衡狀態。亦即此系統與外界環境沒有熱量的交換。熱力學平衡(Thermodynamic equilibrium)：當以上所述的三種平衡狀態都滿足時，我們稱此系統為處於熱力學平衡狀態。6 若系統C與系統A、B同時達到熱平衡(如上圖左所示，此刻系統A、B間為絕熱接觸)，則當系統A與B改為可傳熱接觸時（如上圖右），其熱力學參數不會再變化，亦即系統A與B間也已達到熱平衡的狀態。(Suggested by Ralp

6、h Fowler,1931) 熱力學第零定律7每組等溫曲線相對於一平衡狀態達到不同的熱平衡狀態相對於不同的等溫曲線。達到熱平衡者（或每條等溫曲線）有其共同的特性定義描述此特性的參數為溫度溫度為決定是否為達到熱平衡的性質。溫度8凱氏溫標（絕對溫標） 917.4 Thermal Expansionlinear thermal expansion 10Volume Thermal Expansion 11Thermal Stress12熱(Heat) 實驗上得知，不同溫度的系統間為導熱接觸時會有能量的互移(除了功之外)，且此轉移僅因有溫度差而存在，我們稱轉移之能為熱。13Mechanisms of Heat Transferheat current in conduction Thermal conductivity14一保麗龍保溫箱的厚度為2公分，總表面積約為0.8平方公尺。若於箱內置1kg的冰，此時外面溫度為30度，問多久之後箱內的冰會完全溶化? (冰的溶解熱為334kJ/kg)15熱隨著物質的流動而流動。熱的對流(Convection)16Heat current