熱力學定律

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熱力學定律英文laws of thermodynamics)係熱力學當中講到嘅三條定律(好多版本會包埋第四條)。

熱力學定律係喺大約 1860 年代嗰陣確立嘅。每條定律都會有某啲條件,如果有個熱力學系統達到嗰啲條件,噉條定律所講嘅嘢實會係成立。熱力學定律嘅內容如下:

第零定律[編輯]

內文:熱力學第零定律
睇埋:熱平衡

熱力學第零定律(zeroth law)係有關熱平衡(thermal equilibrium [註 1])嘅。熱平衡係熱力學系統有可能處於嘅一種狀態:如果話兩個熱力學系統之間成熱平衡,意思即係話就算兩個系統之間容許嘅流動,兩者之間整體上都唔會有任何嘅能量流動-就算有能量流動,「由 1 去 2 嘅能量流動」都會同「由 2 去 1 嘅能量流動」互相抵消,整體上兩者帶嘅能量都冇變(no net change in energy);如果話一個系統同自己成熱平衡,就係話個系統內部嘅溫度完全平均分佈而且唔會隨時間變化;而如果兩嚿唔同溫度嘅物體掂住而且可以俾熱流通,噉兩嚿嘢遲早會變成一樣溫度(例如想像一個人用攞住杯雪糕而且周圍氣溫喺攝氏 0° 以上,啲雪糕遲早會[1]

熱力學第零定律講嘅嘢如下[1][2]

想像有兩個系統 ,如果佢哋兩個都分別噉同第三個系統 成熱平衡嘅話,噉 彼此之間成熱平衡。
用行話講嘅話,即係話系統之間嘅熱平衡關係係遞移嘅。


第一定律[編輯]

內文:熱力學第一定律
睇埋:能量守恆定律

熱力學第一定律(first law)講嘅係能量守恆(conservation of energy)。想像家陣有個蘋果由樹上面跌落嚟(自由落體),隨住佢向下移,佢會因為地心吸力加速速度數值上升表示動能都跟住上升,但同時佢又會喪失勢能;又想像有兩嚿唔同溫度嘅物體掂埋一齊,佢哋最後會進入熱平衡(睇返第零定律),喺呢個過程當中,原先熱啲嗰嚿物體溫度低咗(啲粒子喪失咗動能)而原先凍啲嗰嚿物體溫度高咗(啲粒子得到動能)-物理學家留意到,啲物體要得到能量往往需要第啲物體喪失能量或者嚿物體本身喪失第種能量。而及後嘅研究嘗試用數學證明嘅方法,成功噉由當時已知嘅物理定律嗰度推理出能量守恆定律[3]

熱力學第一定律講嘅係[3]

一切嘅能量,形式可以轉化,但就唔能憑空產生,亦都唔會憑空消失。


而如果個過程冇物質嘅流動,熱力學第一定律可以寫做以下呢條式:

當中 係一個封閉系統嘅內部能量改變, 表示以嘅形式傳俾個系統嘅能量總量, 表示由個系統向周圍環境施嘅作功[3]

第二定律[編輯]

內文:熱力學第二定律
睇埋:熱力學平衡同埋熱寂

熱力學第二定律(second law)係有關(entropy)嘅。首先,考慮 呢個數值:是但搵個熱力學系統,佢會有一啲宏觀性質(例如溫度壓力等),而個系統會有若干個可能嘅微狀態(microstate;「粒子 A 喺位置 X 而粒子 B 喺位置 Y...」、「粒子 A 喺位置 Y 而粒子 B 喺位置 X...」等等),能夠同個系統啲宏觀性質吻合嘅微狀態數量就係 咁多個;熵係 函數,即係話熵反映咗「已知個系統嘅宏觀性質係噉,個系統有幾多個可能嘅微狀態」。假設每個微狀態都一樣咁有可能發生(機會率一樣),個系統嘅熵可以用以下呢條式計出嚟[4][5]

[註 2]

當中 kB波茲曼常數(Boltzmann constant)[6]。而熱力學第二定律講嘅嘢如下[7]

一個封閉系統當中嘅熵永遠唔會跌,只有可能維持不變或者升。熱力學第二定律暗示,搵個封閉系統,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(「可能嘅微狀態數量」上升),會漸漸趨向熱力學平衡(thermodynamic equilibrium)[註 1]-熵數值最大化嘅狀態。好似生物等嘅非封閉系統(會同周圍環境傳能量)可以內部熵下降,但噉做實會引致佢周圍環境嘅熵升,而且升至少同一樣咁多。因為噉,宇宙嘅總熵依然會升。


呢條定律用方程式表達嘅話如下:

當中 係指「 嘅改變」。

熱力學第二定律仲有引起宇宙學(cosmology)方面嘅思考:宇宙學係一個專門研究宇宙嘅領域,包括研究宇宙最終命運,指有關「宇宙最後會變成點」嘅思考;有物理學家基於熱力學第二定律作出設想,假想最後宇宙後真係完全變成熱力學平衡,物質能量完全平均噉分佈;佢哋計過條數,預想喺噉嘅情況下,宇宙將會成為一個溫度去到絕對零度攝氏零下 273.15°)咁滯嘅空間,唔會再有任何作功,更加唔會有生命-而呢個情況就係假想中嘅熱寂(heat death)[8]

第三定律[編輯]

內文:熱力學第三定律
睇埋:絕對零度

熱力學第三定律(third law)係講緊絕對零度(absolute zero)嘅可能性。絕對零度係一樣純概念性嘅嘢:由上面對溫度概念嘅研究嗰度可知,溫度源自粒子嘅動能;噉想像隨住粒子郁動嘅速度愈嚟愈慢(嚿物體愈嚟愈凍),理應會去到一個點,係啲粒子完全唔郁(動能 )-呢個狀態會係想像中嘅一個絕對最低嘅可能溫度,而呢個溫度正正就係所謂嘅絕對零度;喺呢個狀態下,熵會去到最細嘅可能數值()-喺絕對零度之下,啲粒子完全唔會郁,所以狀態唔會有任何嘅變化,只有一個可能嘅微狀態,而 。絕對零度嘅空間會係一個完全死寂嘅空間,而根據廿一世紀初嘅計算(靠考慮粒子動能等嘅嘢),絕對零度係零下 273.15°C-又或者叫 0°K(開氏 0°)[9][10]

熱力學第三定律講嘅就係呢樣嘢[9]

絕對零度係冇可能透過數量有限嘅程序、喺有限嘅時間之內達到嘅-換句話講,絕對零度永遠冇可能達到。


睇埋[編輯]

註釋[編輯]

  1. 1.0 1.1 熱平衡熱力學平衡係兩個唔同嘅概念。
  2. 實際應用上嘅 數值極大:據估計,一嚿喺標準狀況下、容量 20 公升氣體總共有大約 N&000000082000-80-66.0000006×1023 咁多粒分子,而嚿氣體嘅 反映「已知嚿氣體有咁多粒分子,可能嘅微狀態數量」,所以數值會更加大。

[編輯]

  1. 1.0 1.1 Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, p. 22.
  2. Buchdahl, H.A. (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge, p. 29: "... if each of two systems is in equilibrium with a third system then they are in equilibrium with each other."
  3. 3.0 3.1 3.2 Mandl, F. (1988) [1971]. Statistical Physics (2nd ed.). Chichester·New York·Brisbane·Toronto·Singapore: John Wiley & sons.
  4. Ligrone, Roberto (2019). "Glossary". Biological Innovations that Built the World: A Four-billion-year Journey through Life & Earth History. Entropy. Springer. p. 478.
  5. Baierlein, Ralph (2003). Thermal Physics. Cambridge University Press.
  6. Richard Feynman (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol I. Addison Wesley Longman.
  7. Zohuri, Bahman (2016). Dimensional Analysis Beyond the Pi Theorem. Springer. p. 111.
  8. 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.
  9. 9.0 9.1 Masanes, Lluís; Oppenheim, Jonathan (14 March 2017), "A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics" (PDF), Nature Communications, 8 (14538): 14538.
  10. Heidrich, M. (2016). "Bounded energy exchange as an alternative to the third law of thermodynamics". Annals of Physics. 373: 665–681.