熱力學

出自維基百科，自由嘅百科全書
跳去導覽 跳去搵嘢
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，好似係講能量守恆嘅熱力學第一定律噉，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嘅蒸氣機[7]，所以多個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（攝氏 -273.15 度）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]。

基礎概念[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]

由「https://zh-yue.wikipedia.org/w/index.php?title=熱力學&oldid=1644222」收