熱力學I溫度與平衡

1、熱力學 I溫度與平衡 十八世紀前人類對熱現(xiàn)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(fā)展可溯源自工業(yè)革命時代，人類對熱與機械功之間轉(zhuǎn)換關(guān)連的研究，影響熱力學源起發(fā)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(jié)果與荷姆赫滋(Helmholtz)等的理論研究共同成就了熱現(xiàn)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(chǔ)。1繼焦爾等人之後對熱力學發(fā)展影響較大的當屬卡諾(Sadi Carnot)?？ㄖZ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?？ㄖZ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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(jīng)由集體原子或分子的平均行為來表達宏觀熱力學的參數(shù)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(fā)展為一門更為完備的熱力學理論，也就是現(xiàn)在所熟知的統(tǒng)計熱力學(statistical mechanism)。 傳統(tǒng)上物理學於探討熱現(xiàn)象理論，可區(qū)分為宏觀現(xiàn)象理論的

3、熱力學 (Thermodynamics) 與微觀結(jié)構(gòu)理論的統(tǒng)計物理學(Statistical Physics) 3宏觀角度: 宏觀角度對熱現(xiàn)象的探討，主要是透過實驗與觀察來歸結(jié)出其中的規(guī)律，因而宏觀熱力學理論較為可靠與普遍。 開放 穩(wěn)定態(tài)(stable state)系統(tǒng) 封閉 平衡態(tài)(equilibrium state)尋找可量測的變數(shù)(座標)來描述系統(tǒng)的狀態(tài)，這些宏觀變數(shù)的特性為:對系統(tǒng)的成分物質(zhì)結(jié)構(gòu)，交互作用力場等等無特殊假設(shè)條件數(shù)量有限且總數(shù)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(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)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(tài)，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(tài)系統(tǒng)的集合 平衡態(tài)系綜的最大機率狀態(tài)所以微觀統(tǒng)計理論的基本問題為：(1)定義系統(tǒng)微觀能階狀態(tài)(states)； (2)尋找平衡時的狀態(tài)分佈。微觀變數(shù)的特性可大略描述如下：(1)存在假設(shè)條件：對物質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)、力場等的假設(shè)(2)非量測特性-通常多為數(shù)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(tǒng)的內(nèi)部之間，或與外界環(huán)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(tǒng)，無自發(fā)性內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化（如化學

5、反應(yīng)等），或物質(zhì)傳輸現(xiàn)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(tǒng)處於機械與化學平衡狀態(tài)，且該描述該系統(tǒng)的參數(shù)無自發(fā)性變化時，我們稱之處於熱平衡狀態(tài)。亦即此系統(tǒng)與外界環(huán)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(tài)都滿足時，我們稱此系統(tǒng)為處於熱力學平衡狀態(tài)。6 若系統(tǒng)C與系統(tǒng)A、B同時達到熱平衡(如上圖左所示，此刻系統(tǒng)A、B間為絕熱接觸)，則當系統(tǒng)A與B改為可傳熱接觸時（如上圖右），其熱力學參數(shù)不會再變化，亦即系統(tǒng)A與B間也已達到熱平衡的狀態(tài)。(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(tài)達到不同的熱平衡狀態(tài)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(shù)為溫度溫度為決定是否為達到熱平衡的性質(zhì)。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(tǒng)間為導熱接觸時會有能量的互移(除了功之外)，且此轉(zhuǎn)移僅因有溫度差而存在，我們稱轉(zhuǎn)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(nèi)置1kg的冰，此時外面溫度為30度，問多久之後箱內(nèi)的冰會完全溶化? (冰的溶解熱為334kJ/kg)15熱隨著物質(zhì)的流動而流動。熱的對流(Convection)16Heat current