熱力學系統

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一個簡單嘅熱力學系統嘅圖解

熱力學系統英文thermodynamic system)係熱力學上分析常用嘅抽象化方法:當有物理學家想對宇宙嘅某一橛仔作出熱力學分析嗰陣,佢可以將嗰一橛仔想像成一個物理系統,而呢個系統會[1][2]

  • 霸佔一個容量有限嘅空間
  • 有一條具有明確定義界限(boundary),當中條界限可以係純想像出嚟嘅;
  • 界限以外嘅空間係所謂嘅環境(surroundings);
  • 物質能量(假設條界限容許)可以喺系統同環境之間流動。

界限[編輯]

內文:界限 (熱力學)
睇埋:封閉系統同埋孤立系統

當中界限係個系統同個系統周圍環境之間嗰埲「牆」,可以按以下呢幾種特性分類[3]

  • 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嘅[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噉改變。可動界限嘅例子有廿一世紀初嘅機械入面常見嘅活塞-喺部機械正常運作緊嗰陣,活塞會係噉上下來回噉郁,令到俾嚿活塞撳住嘅氣體嘅容量同壓力(睇返理想氣體定律)係噉跟住變。
  • 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完全唔能夠穿過條界限,物質冇得由個系統漏去外界或者由外界滲入個系統度,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或者進入個氣缸[1]

地球系統[編輯]

睇埋:地球科學同埋蓋亞假說

例如地球就可以想像成一個熱力學系統[4][5]

  • 地球有個有返咁上下大嘅容量。根據廿一世紀初嘅估計,地球嘅容量大約係 1.0832073×1012 立方千米左右咁大(霸佔一個容量有限嘅空間)。
  • 原則上,地球同外太空之間並冇一條完全明確嘅界線-地球嘅大氣層係愈高空就愈稀薄嘅,冇話會去到某一個高度會突然間由「有大氣層」變成「冇大氣層」。喺廿世紀嗰時,科學家主流會用卡門線(Kármán line)嚟定義地球,即係指將太空定義做「離平均海平面 100 公里以外嘅空間」[6](有一條具有明確定義嘅界限)。
  • 地球以外嘅空間包括咗外太空-一個空寥寥、乜都冇咁滯嘅巨大空間(環境)。
地球嘅大氣層係離地面愈遠就愈稀薄嘅,冇話會去到某一個高度會突然間由有變冇-「地球」呢個熱力學系統條界限係想像出嚟嘅。
  • 物質同能量嘅流動:
    • 物質同能量會喺地球內部流動,例如會令空氣喺地球嘅大氣層之內郁動;洋流等嘅力量會令喺地球嘅表面郁動;會令水喺地球嘅大氣層當中郁動;火山爆發會令熔岩(仲有係熔岩帶有嘅熱能同礦物質)由地底移去地面嗰度。地球施嘅重力令呢啲物質(同埋啲物質帶嘅能量)傾向留喺地球嗰度(唔能夠完全自由噉離開地球)。
    • 物質同能量又會喺地球同地球外部嘅環境之間流動(地球條界限有一定嘅滲透性),例如地球上嘅能量主要嚟自太陽光[7],而且時不時會由太空跌落地球表面嘅殞石會帶啲物質嚟地球[8];另一方面,物質同能量又有可能由地球流失返去外太空嗰度,地球各部份帶有嘅能量當中有好多嘅都會以熱輻射嘅形式射出去外太空-例如據估計,地球大氣層會將大約相當於入嚟嘅太陽光 59% 咁多嘅能量以呢種形式射返出去外太空[9]

註釋[編輯]

  1. 原則上,「將界限想像成固定」係為咗令分析過程冇咁撈絞而做嘅假設。喺實際上,一個(例如)缸當然係有可能打爛嘅,但如果個缸夠硬淨嘅話,「將條界限想像成固定」可以簡化分析,又唔會令分析結果明顯偏離實際數值

睇埋[編輯]

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  1. 1.0 1.1 Bejan, A. (2016). Advanced engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
  2. Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2010). Fundamentals of engineering thermodynamics. John Wiley & Sons.
  3. Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, pp. 15, 17.
  4. Kleidon, A. (2010). Life, hierarchy, and the thermodynamic machinery of planet Earth. Physics of life reviews, 7(4), 424-460.
  5. Buchanan, M. The thermodynamics of Earth. Nature Phys 13, 106 (2017).
  6. Voosen, Paul (2018-07-24). "Outer space may have just gotten a bit closer". Science.
  7. Peterson, J. (2012). Understanding the thermodynamics of biological order. The American Biology Teacher, 74(1), 22-24.
  8. Meteoritical Bulletin Database. Lpi.usra.edu. Retrieved on 27 August 2018.
  9. Climate and Earth's Energy Budget. Earth observatory.