熱力學

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各種涉及熱能嘅物理現象：

熱力學（粵拼：jit6 lik6 hok6；英文：thermodynamics）係物理學嘅一個子領域，專門研究熱（heat；物質嘅粒子郁動嗰時產生嘅能量）、作功同溫度，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，好似係講能量守恆嘅熱力學第一定律（first law of thermodynamics）噉，就可以寫成以下嘅方程式[2][3]：

；

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[編輯]

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），而物質同能量（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[編輯]

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（以作功同熱等嘅形式）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]。
一個引擎入面有兩條活塞
 
郁緊嘅活塞嘅抽象圖解
 

作功同能量[編輯]

內文： 作功 同 能量

量度方法[編輯]

熱力學定律[編輯]

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：解釋熱平衡同溫度嘅關係。
    • 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[編輯]

內文： 相態

工程應用[編輯]

睇埋：熱引擎

簡史[編輯]

註釋[編輯]

  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[編輯]

攷[編輯]

  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.

拎[編輯]

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