中央研究院物理所高中物理科學培育計畫熱力學原理

National Dong Hwa University Department of Physics 中央研究院物理所高中物理科學培育計畫熱力學原理李大興國立東華大學物理系 18 June 2005

內容大綱 • 熱力學定義 • 熱力學四大定律 • 第零定律：定義溫度 • 第一定律：能量守恆定律 • 第二定律：熵總是增加（時間為什麼只有一個方向?) • 氣體分子運動論 • 第三定律：絕對溫度為零時，熵為零

參考資料 • 物理史︰物理學發展史上的里程碑，主編︰馬文蔚，唐玄之，周永平編者︰宋玉亭等人 • 物理內容︰1.普通物理︰Halliday， Resnick 等人 2.費因曼講義

熱力學定義 • 熱力學主要了解巨觀物質系統熱平衡性質(例如氣體、壓力、體積、及溫度之間的關係)，以及巨觀物質能量因外界因素(功和熱)而改變的定律。

熱力學與其他物理學之關係 量子論 20世紀初粒子波的雙重性熱力學 19世紀中熱=能量氣體分子運動論牛頓力學 17世紀統計物理學電磁理論 19世紀中電磁互感相對論 20世紀初質量=能量

熱力學與牛頓力學的關係 熱力學 19世紀中到 19世紀70年代末多體物理的集體運動定律熱力學四大定律牛頓力學 17世紀單質點或少數質點運動定律牛頓力學三大定律氣體分子運動論統計物理學

熱力學與牛頓力學的物理 熱力學系統牛頓力學系統時間反轉對稱可逆過程不可逆過程自由膨脹

熱力學第零定律 當不同冷熱的A與B物質，相互接觸時，能允許熱的傳遞，經過一段時間之後，A與B可具有相同的冷熱程度由此可定義: 與物質本身性質無關的物理量:溫度，來量化物質本身的冷熱程度 A B

溫度計及溫度的尺度 等容氣體溫度計

熱平衡 • 熱平衡是一大尺度的現象。 • 時間及空間尺度，從氣體分子來看都是巨觀尺度。也就是說，系統尺度遠大於分子[平均自由距離]-分子在兩次碰撞間的自由飛行距離，及觀測時間遠大於分子[平均自由時間] • 在大尺度觀測時，系統的熱平衡可測量到穩定的溫度，此乃平均效應的結果

熱力學第一定律 • 焦耳的熱功當量測定 • 焦耳關於熱功量的測定，是建立能量守恆定律的實驗基礎。熱=能量焦耳James Prescott Joule, 1818-1889

能量守恆概念 • 亥姆霍茲原為生理學家，後成為著名數學和物理學家 • 他將能量形成及守恆的概念作了一次整合。亥姆霍茲Hermann von Helmholtz， 1821～1894

熱力學第一定律 • 引進物理量內能U，把能量守恆和轉化定律表述成熟熱力學第一定律克勞修斯Rudolf Clausius， 1822-1888 系統的熱量增量＝系統內能的增加＋系統對外作功

絕熱過程 理想氣體(氣體分子間相互作用力可忽略)：氣體的狀態滿足氣體的內能只和熱平衡溫度有關(氣體分力運動論) 絕熱過程減少下壓氣體的重量氣體體積增加,氣體對外界做正功 氣體溫度下降內能減少

減少下壓體積重量 氣體體積增加, 氣體對外做正功  氣體溫度下降 熱源提供熱量保持氣體溫度不變等溫膨脹

溫度不變 絕熱自由膨脹氣體對外界不做功，無能量的交換，氣體內能不變

熱力學第二定律 • 從單一熱源吸取熱量不可能使之完全變為有用的功開爾文Baron Kelvin，1824-1907

熱力學第二定律 • 克勞修斯 • 熱不可能自動地從一個較冷的物體傳向較熱的物體

卡諾循環 • 卡諾熱機卡諾Sadi Carnot，1796-1832

卡諾熱機 a  b (等温膨脹) 固定 d a (絕熱壓縮) b  c (絕熱膨脹) c d (等溫壓縮) 固定

熵的概念 根據熱力學第二定律，熱機效率 沒有永動機存在尋找一個物理量來判斷熱力學過程是否可以自然發生: 克勞修斯提出了---熵的概念

b  c (絕熱膨脹) c d (等溫壓縮) d a (絕熱壓縮) 卡諾熱機熵的計算 a  b (等溫膨脹)

=> 熵為狀態函數與過程進行的方式無關。獨立系統可自然發生過程，其卡諾熱機︰

獨立系統可自然發生過程,其 正逆過程均可發生可逆過程永動機不存在  永動機絕對溫標的存在對於任何熱機(經過可逆過程將熱量從熱源流出，一部份轉成功，另一部份傳送到冷源)均滿足因為可定義和任何特別物質的物理性質完全無關的溫度單位，稱之為絕對溫標︰1的熱量單位可增加1度值的絕對溫標。當系統無熱能情形下，系統在絕對零度。

卡諾熱機為最有效率之熱機︰ 假設有一熱機比卡諾機更有效率也就是 (不存在)

問題與討論

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