熱力學粵拼jit6 lik6 hok6英文thermodynamics)係物理學嘅一個子領域,專門研究(heat;物質粒子郁動嗰時產生嘅能量)、作功溫度,仲有係呢啲嘢同能量、輻射以及物質特性嘅關係[1]古典熱力學理論用咗四條定律,講明一啲量度得到嘅物理量之間成乜嘢關係,好似係講能量守恆熱力學第一定律(first law of thermodynamics)噉,就可以寫成以下嘅方程式[2][3]

各種涉及熱能嘅物理現象:

呢條式嘅意思簡單講係所有能量,形式可以轉化,但就唔能憑空產生,亦都唔會憑空消失[4]

熱力學研究有好廣泛嘅應用價值:好多重要嘅物理同化學現象都涉及熱,例如有好多化學反應都會吸熱或者放熱,所以熱力學上嘅知識有助化學方面嘅研究[5][6];熱力學方面嘅知識仲幫到工程師手諗計點樣控制同利用熱能,而對熱能嘅運用能夠幫手創造出好多有用嘅機械(例子可以睇吓靠蒸氣嘅流動帶動機械部件嘅蒸氣機[7]),所以熱力學對於多個領域嘅工程師嚟講都會有用[8]

熱力學對宇宙學(cosmology)都有用。例如熱寂(heat death)就係宇宙學家按熱力學第二定律(second law of thermodynamics)作出嘅一個有關宇宙最終命運嘅猜想;根據熱力學第二定律,是但搵個封閉系統(closed system),隨住時間過去,個系統內部嘅粒子同能量頂櫳維持唔郁,而喺現實多數會慢慢走位,漸漸趨向熱力學平衡(簡單講就係溫度完全平均分佈嘅狀態)。如果宇宙最後真係變成熱力學平衡,根據物理學家計算,宇宙會變成一個溫度分佈完全平均,而且接近絕對零度攝氏零下 273.15 度)嘅空間,唔會再有任何作功,更加唔會有生命-呢個情況就係假想中嘅熱寂[9][10]

熱力學系統

 
一個簡單嘅熱力學系統嘅圖解
內文: 熱力學系統

熱力學系統(thermodynamic system)係熱力學上分析常用嘅抽象化方法:當物理學家想分析宇宙某個部份嗰陣,佢哋可以將嗰個部份想像成一個系統(system),個系統會

  • 佔據一個容量有限嘅空間;
  • 有條界限
  • 界限外嘅空間係環境(environment / surroundings),而物質能量(假設條界限容許)可以喺系統同環境之間流動[11][12]

例如地球都可以想像成一個熱力學系統[13],地球有一個有返咁上下大嘅容量,物質同能量會喺地球內部-包括地球表面同地底-流動;地球施嘅重力令佢表面嘅物質傾向留喺地表上面(地球有條界限,而物質唔能夠完全自由噉離開地球);地球外部嘅環境又會向地球提供物質同能量,物質嘅例子有跌落地球表面嘅殞石[14],能量嘅例子就有太陽光[15]

界限

內文: 界限 (熱力學)

界限(boundary)係個系統同佢周圍環境之間嘅「牆」。界限可以按幾種特性分類[16]

  • 固定(fixed)定可動(movable):固定界限表示條界限唔曉郁,而界限可動就表示條界限可以按某啲法則郁動;喺用抽象化嘅數學模型模擬一個熱力學系統嗰陣,固定界限表示個系統嘅容量係固定[註 1],而界限可動就表示個系統嘅容量可以按某啲法則週期性改變;後者嘅例子有一部機械入面週期性移動嘅活塞(piston)。
  • 條界限有滲透性(permeability)呢一個特性,滲透性表示物質同能量(以作功等嘅形式)有幾容易穿過條界限;例如一個夠硬淨又密封嘅氣缸令到氣體等嘅物質唔能夠穿過條界限,不過(視乎個氣缸用乜嘢物料造)能量依然有可能以作功同熱等嘅形式離開個氣缸[11]

作功同能量

內文: 作功能量

量度方法

熱力學定律

 
一個典型嘅熱力學系統,由熱(鍋爐)流向冷(冷凝器),響呢一個過程有一系列活塞產生熱。
內文: 熱力學定律
  • 熱力學第零定律:解釋熱平衡溫度嘅關係。
    • 假如有兩個物體A同B,個別同物體C達到熱平衡,咁物體A、B、C三者兩兩會互相達到熱平衡。
  • 熱力學第一定律能量守恆定律──所有能量,形式可以轉化,但就唔能憑空產生,亦都唔會憑空消失。
    •  
  • 熱力學第二定律:熱唔可以自發咁由冷轉為熱。任何溫度高嘅物體,除非受熱,否則必然會慢慢咁冷卻
    •   

物質相態

內文: 相態

工程應用

睇埋:熱引擎

簡史

註釋

  1. 「將界限想像成固定」係為咗將分析簡化而做嘅假設;實際上,(例如)一個氣缸係有可能打爛嘅,但假設個氣缸夠硬淨,「將界限想像成固定」可以令分析簡單啲。

睇埋

  1. William Thomson, L. L.D. D.C.L., F.R.S. (1882). Mathematical and Physical Papers. 1. London, Cambridge: C.J. Clay, M.A. & Son, Cambridge University Press. p. 232.
  2. Callen, H. B. (1998). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics.
  3. Beck, C., & Schögl, F. (1995). Thermodynamics of chaotic systems: an introduction (No. 4). Cambridge University Press.
  4. What Is the First Law of Thermodynamics?.
  5. Lewis, Gilbert N.; Randall, Merle (1923). Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill Book Co. Inc.
  6. Guggenheim, E.A. (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, 1st edition 1949, 5th edition 1967, North-Holland, Amsterdam.
  7. Hills, R. L. (1993). Power from steam: A history of the stationary steam engine. Cambridge University Press.
  8. Moran, M. J. (1999). Engineering Thermodynamics/Mechanical Engineering Handbook. Boca Raton: CRC Press LLC.
  9. Zohuri, Bahman (2016). Dimensional Analysis Beyond the Pi Theorem. Springer. p. 111.
  10. Adams, Fred C.; Laughlin, Gregory (1997). "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects". Reviews of Modern Physics. 69 (2): 337–72.
  11. 11.0 11.1 Bejan, A. (2016). Advanced engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
  12. Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2010). Fundamentals of engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
  13. Kleidon, A. (2010). Life, hierarchy, and the thermodynamic machinery of planet Earth. Physics of life reviews, 7(4), 424-460.
  14. Meteoritical Bulletin Database. Lpi.usra.edu. Retrieved on 27 August 2018.
  15. Peterson, J. (2012). Understanding the thermodynamics of biological order. The American Biology Teacher, 74(1), 22-24.
  16. Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, pp. 15, 17.