熱力學粵拼jit6 lik6 hok6英文thermodynamics),又叫熱動力學,係物理學嘅一門領域,專門研究(heat;物質粒子郁動嗰時有嘅能量)、作功同埋溫度,仲有係呢啲嘢會點樣同能量、輻射以及物質嘅特性互相影響[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,但就唔能夠憑空產生,亦都唔會憑空消失」[4]

熱力學所研究嘅嘢喺好多自然同人造嘅系統嗰度都會見得到:好多重要嘅物理同化學現象都涉及熱,例如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];熱力學方面嘅知識亦都幫到工程師手諗計控制同利用熱能,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件蒸氣機[7]-多門領域嘅工程師都會用到熱力學上嘅知識[8]

除此之外,熱力學仲對宇宙學(cosmology)研究有啟發作用。例如熱寂(heat death)就係宇宙學家按熱力學第二定律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,而且凍到絕對零度(大約 -273.15 °C)咁滯嘅空間,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]

基本概念

內文:溫度、 同 能量
睇埋:古典力學

溫度基礎

睇埋:溫度計

熱力學最根本嘅研究對象係溫度,所以要做熱力學,首先就要定義「溫度」。呢條查實係一條相當撈絞嘅問題:溫度反映一樣嘢「熱」定「凍」,而喺直覺上,人能夠理解乜嘢係熱乜嘢係凍,但一般人通常做唔到對溫度呢個概念俾一個明確嘅定義;不過喺廿一世紀初嘅物理學上,溫度經已有咗個定義-溫度係指啲粒子帶嘅動能(kinetic energy;有關動能係咩,可以睇吓牛頓力學相關嘅內容)[11]

唔靠現代物理知識

喺最基本上,如果完全唔靠任何物理學知識嘅話,溫度可以就噉想像成「溫度計所反映嘅數值」[12]

  • 想像有個對物理學一無所知嘅人,佢都有能力發現一個簡單嘅事實-佢一將條酒精溫度計擺喺一啲令佢覺得「熱」嘅嘢(例如係夏天空氣)入面,條計入面嘅酒精就會膨脹,而佢一將條計擺喺一啲令佢覺得「凍」嘅嘢(例如係或者冬天嘅空氣)入面,條計入面嘅酒精就會收縮,而且有好多種物質都會有「熱就膨脹,凍就收縮」噉嘅行為[13];噉即係話,呢個人能夠齋靠觀察嘅方式得知,有某樣嘢硬係會令佢有熱同凍嘅感覺,而且呢樣嘢唔似係純主觀嘅感覺(因為呢樣嘢嘅變化硬係會令多種冇生命嘅物質出現同樣嘅行為),所以呢樣嘢係個物理量
  • 跟住佢仲可以做標準化-佢知凍到咁上下會結冰,熱到咁上下會蒸發,於是佢攞若干條橫切面面積一樣、同樣都係裝住酒精嘅溫度計做量度,並且喺一般大氣壓力下做實驗;佢發覺水結冰嗰陣,無論係邊條酒精溫度計,啲溫度計入面嘅酒精硬係會去到   咁高,跟住佢就將   嗰個點嘅溫度定義做「攝氏 0 度」,而同一道理,佢又發覺水蒸發嗰陣,啲溫度計入面嘅酒精硬係會去到   咁高,跟住佢就將   嗰個點嘅溫度定義做「攝氏 100 度」[14]

有咗上述嘅知識,一個人就有得郁手研究溫度[12]

絕大多數嘅人都能夠本能噉知道「好熱、好凍」,但「溫度」一詞具體嚟講要點定義?

平均動能

睇埋:動能壓力同埋理想氣體定律

然後,想像一位想研究溫度嘅人攞住手上嘅溫度計同「溫度就係溫度計反映嘅物理量」嘅知識。佢可以觀察得到壓力(pressure, ;指一件物體表面每單位面積承受緊幾大嘅)嘅現象:佢將一團溫度喺攝氏 20 度嘅氣體封死喺一個透明嘅容器入面,跟住佢將團氣體同個容器加熱(例如放入去一煲滾水入面);如果個容器有個蓋而且溫度夠熱,可以搞到個蓋(如果個蓋夠輕)飛走-個蓋實係受咗一股力得到動量[15]

 
一煲水喺度滾緊;由煲蓋嘅郁動可知,蒸發緊嘅水(水蒸氣)會向周圍嘅表面施壓力。

透過好似呢啲噉嘅實驗,佢確立咗壓力嘅概念,而且可以觀察到理想氣體定律(ideal gas law)所講嘅嘢[15]

 ,當中

  係團氣體嘅體積  係團氣體入面有幾多粒粒子(簡單講可以想像成物質量), 一個常數,而   就係團氣體嘅溫度(用溫度計量度到)[16][17]。假想個人身處嘅世界經已確立咗原子論,知道物質係由一大柞細細粒嘅粒子組成嘅,佢可以將團氣體想像成一大柞係噉喺度郁嘅粒子,好似下圖嘅想像圖噉:

推理過程

圖中嗰啲黑色點點係想像中嘅粒子,紅色嘅係啲粒子嘅郁動軌道,白色嘅空間係粒子可以郁嘅空間,灰色嘅係個容器嘅殼,紅色箭咀係一粒粒子撞埋個容器嘅殼嗰陣向個殼嘅表面施嘅力。根據古典力學上嘅知識,當一嚿嘢撞埋去另一嚿嘢嗰時,會有動量 )嘅轉移,即係話[15]

 

當中   係指個殼嘅動量變化,  係指粒粒子臨撞嗰刻嘅動量嘅 X 軸(想像三維空間)部份,假想粒粒子撞前撞後動量嘅數值一樣但彈返轉頭(方向變咗相反), 。假想每隔  (一個極細嘅數值)咁耐嘅時間就有粒粒子撞落個殼嗰度,個殼因為一吓撞擊受嘅力( )係:

 (嚟自牛頓第二定律),

而設

   係指個容器嘅長度(設個容器係個立方體),可以得出
 ,考慮嗮咁多粒粒子嘅話,
 ,當中

  係粒子嘅數量(呢個數值大得好交關),而   係指啲粒子嘅平均 X 軸速度數值。再將粒子嘅速度   想像成   [註 1],得出:

 

呢股力會施喺一塊   咁大嘅表面嗰度,即係話壓力(每單位面積嘅力)等如:

 

因為設咗個容器係立方體,所以個容器嘅容量  ,於是:

 

將上面條式掉一掉嘅話,

 

將理想氣體定律   代入去嘅話,

 

最後得出

 

由古典力學嗰度已知,一嚿嘢嘅動能 -得出「一團氣體嘅溫度( )係由粒子嘅平均動能反映嘅」。

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[18][19]

例如地球都可以想像成一個熱力學系統[20],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[21],能量嘅例子就有太陽光[22]

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[23]

  • 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 2],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[18]

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。睇埋
    •   

物質相態

內文:相態

工程應用

睇埋:熱引擎

簡史

註釋

  1. 喺現實,粒子唔會粒粒都用同樣嘅速度郁,但當考慮緊好大量嘅粒子嗰陣,呢種想像法可以得出大致正確嘅結果。
  2. 「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. What Is Thermodynamics?. Live Science.
  12. 12.0 12.1 Temperature and Thermometers. The Physics Classroom.
  13. "Thermometer Filling Liquids" (PDF). Charnwood Instrumentation. Archived from the original (PDF) on 2 November 2014.
  14. Bolton, Henry Carrington: Evolution of the Thermometer, 1592–1743. (Easton, PA: Chemical Publishing Company, 1900).
  15. 15.0 15.1 15.2 Kinetic Theory.
  16. Clapeyron, E. (1835). "Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur". Journal de l'École Polytechnique (in French). XIV: 153–90.
  17. Khotimah, Siti Nurul; Viridi, Sparisoma (2011-06-07). "Partition function of 1-, 2-, and 3-D monatomic ideal gas: A simple and comprehensive review". Jurnal Pengajaran Fisika Sekolah Menengah. 2(2): 15–18.
  18. 18.0 18.1 Bejan, A. (2016). Advanced engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
  19. Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2010). Fundamentals of engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
  20. Kleidon, A. (2010). Life, hierarchy, and the thermodynamic machinery of planet Earth. Physics of life reviews, 7(4), 424-460.
  21. Meteoritical Bulletin Database. Lpi.usra.edu. Retrieved on 27 August 2018.
  22. Peterson, J. (2012). Understanding the thermodynamics of biological order. The American Biology Teacher, 74(1), 22-24.
  23. Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, pp. 15, 17.