熱力學(xué)I溫度與平衡

1、熱力學(xué) I溫度與平衡 十八世紀(jì)前人類(lèi)對(duì)熱現(xiàn)象的認(rèn)知還帶有點(diǎn)神秘的色彩在其中，熱力學(xué)較科學(xué)化的發(fā)展可溯源自工業(yè)革命時(shí)代，人類(lèi)對(duì)熱與機(jī)械功之間轉(zhuǎn)換關(guān)連的研究，影響熱力學(xué)源起發(fā)展的一個(gè)非常重要因素為溫度的觀念。焦?fàn)?Joule)等人的實(shí)驗(yàn)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(xué)第一定律（1942年由Mayer提出）的基礎(chǔ)。1繼焦?fàn)柕热酥釋?duì)熱力學(xué)發(fā)展影響較大的當(dāng)屬卡諾(Sadi Carnot)。卡諾提出可逆熱機(jī)的概念，並推導(dǎo)出最高熱機(jī)效率的原則，實(shí)際上即為熱力學(xué)的第二定律?？ㄖZ的理論的提出事實(shí)上早於熱力學(xué)第一定律，但熱力學(xué)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(chēng)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(xué)現(xiàn)象提出了熱力學(xué)第三定律。 2十九世紀(jì)接近尾聲時(shí)，原子的概念逐漸被接受，於是科學(xué)家們嘗試各種方式經(jīng)由集體原子或分子的平均行為來(lái)表達(dá)宏觀熱力學(xué)的參數(shù)如溫度、壓力等，此為動(dòng)力理論(kinetic theory)的起始。動(dòng)力理論逐漸的發(fā)展為一門(mén)更為完備的熱力學(xué)理論，也就是現(xiàn)在所熟知的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)(statistical mechanism)。 傳統(tǒng)上物理學(xué)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(xué) (Thermodynamics) 與微觀結(jié)構(gòu)理論的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)(Statistical Physics) 3宏觀角度: 宏觀角度對(duì)熱現(xiàn)象的探討，主要是透過(guò)實(shí)驗(yàn)與觀察來(lái)歸結(jié)出其中的規(guī)律，因而宏觀熱力學(xué)理論較為可靠與普遍。 開(kāi)放 穩(wěn)定態(tài)(stable state)系統(tǒng) 封閉 平衡態(tài)(equilibrium state)尋找可量測(cè)的變數(shù)(座標(biāo))來(lái)描述系統(tǒng)的狀態(tài)，這些宏觀變數(shù)的特性為:對(duì)系統(tǒng)的成分物質(zhì)結(jié)構(gòu)，交互作用力場(chǎng)等等無(wú)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(cè)得的基本量可直接量測(cè)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(yùn)動(dòng)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(jī)率狀態(tài)所以微觀統(tǒng)計(jì)理論的基本問(wèn)題為：(1)定義系統(tǒng)微觀能階狀態(tài)(states)； (2)尋找平衡時(shí)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(duì)物質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)、力場(chǎng)等的假設(shè)(2)非量測(cè)特性-通常多為數(shù)學(xué)上模型(3)無(wú)法直接量測(cè)得到，多為計(jì)算所得 5機(jī)械平衡(mechanical equilibrium)：當(dāng)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(shí)。化學(xué)平衡(chemical equilibrium)：一處?kù)稒C(jī)械平衡的系統(tǒng)，無(wú)自發(fā)性?xún)?nèi)部結(jié)構(gòu)變化（如化學(xué)

5、反應(yīng)等），或物質(zhì)傳輸現(xiàn)象（如擴(kuò)散或溶解等）時(shí)，即稱(chēng)為處?kù)痘瘜W(xué)平衡。熱平衡(Thermal equilibrium)：系統(tǒng)處?kù)稒C(jī)械與化學(xué)平衡狀態(tài)，且該描述該系統(tǒng)的參數(shù)無(wú)自發(fā)性變化時(shí)，我們稱(chēng)之處?kù)稛崞胶鉅顟B(tài)。亦即此系統(tǒng)與外界環(huán)境沒(méi)有熱量的交換。熱力學(xué)平衡(Thermodynamic equilibrium)：當(dāng)以上所述的三種平衡狀態(tài)都滿(mǎn)足時(shí)，我們稱(chēng)此系統(tǒng)為處?kù)稛崃W(xué)平衡狀態(tài)。6 若系統(tǒng)C與系統(tǒng)A、B同時(shí)達(dá)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(dāng)系統(tǒng)A與B改為可傳熱接觸時(shí)（如上圖右），其熱力學(xué)參數(shù)不會(huì)再變化，亦即系統(tǒng)A與B間也已達(dá)到熱平衡的狀態(tài)。(Suggested by Ralp

6、h Fowler,1931) 熱力學(xué)第零定律7每組等溫曲線(xiàn)相對(duì)於一平衡狀態(tài)達(dá)到不同的熱平衡狀態(tài)相對(duì)於不同的等溫曲線(xiàn)。達(dá)到熱平衡者（或每條等溫曲線(xiàn)）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(dá)到熱平衡的性質(zhì)。溫度8凱氏溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)） 917.4 Thermal Expansionlinear thermal expansion 10Volume Thermal Expansion 11Thermal Stress12熱(Heat) 實(shí)驗(yàn)上得知，不同溫度的系統(tǒng)間為導(dǎo)熱接觸時(shí)會(huì)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(chēng)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(shí)外面溫度為30度，問(wèn)多久之後箱內(nèi)的冰會(huì)完全溶化? (冰的溶解熱為334kJ/kg)15熱隨著物質(zhì)的流動(dòng)而流動(dòng)。熱的對(duì)流(Convection)16Heat current