A-level 物理學/力、場和能量/熱物理學

熱物理學研究物質在溫度變化時發生的改變。

內能

當您加熱材料時，它可能會改變狀態。分子以更大的振幅振動，並彼此分離。材料已獲得能量，您可以感覺到它變得更熱。粒子動能和勢能（由於它們更大的分離）的增加是我們所說的內能的增加。內能定義為

系統的內能是其分子隨機分佈的動能和勢能的總和。

因此，材料溫度升高意味著其內能增加。

熱力學溫度標尺

攝氏溫度標尺取決於水的性質。0 °C 是水的冰點，100 °C 是水的沸點。這是一個相對標尺，因為它相對於水的冰點和沸點。然而，熱力學溫度標尺（用字母T表示）是絕對溫度標尺，不依賴於任何特定物質的性質。它也與物質所具有的內能成正比。

絕對零度

這種溫度標尺用內能來定義，以開爾文 (K) 為單位。0K 定義為物質具有最小內能的溫度，是可能的最低溫度。這個溫度被稱為絕對零度。就是在這個點上，分子停止振動，電子停止旋轉和軌道運動。

開爾文和攝氏標尺 - 比較

在 K 和 °C 之間轉換

開爾文標尺的刻度與攝氏標尺的刻度相同，因此 1 °C 的升高等於 1K 的升高。

$\Delta \theta$ K = $\Delta \theta \;^{\circ }$ C

這使得在兩者之間轉換變得很簡單，如果您知道絕對零度是 -273.15 °C，您只需使用公式

$\theta$ K = $(\theta +273.15)\;^{\circ }$ C

來在 °C 和 K 之間轉換。

物質的加熱

當您對物質施加熱量時，溫度不會簡單地呈直線上升。需要一些額外的能量來打破粒子之間的鍵。

能量和溫度變化

如果我們以穩定的速度加熱一塊冰並繪製溫度隨時間的變化圖，我們將得到以下圖形

這種形狀相當令人驚訝。您會期望這條線呈直線上升，沒有您上面看到的任何間斷。我們應該考慮水的分子在圖形的每個部分發生了什麼，以瞭解為什麼會這樣

• AB

冰的溫度低於冰點，但溫度正在上升。分子振動緩慢，但開始振動得更多。

• BC

在 273K (0°C) 時，冰處於熔點。分子之間的鍵斷裂，分子具有更大的勢能。這是熔化潛熱。

• CD

現在，水溫上升到沸點。分子振動得更多，並快速移動，因為它們的動能增加。

• DE

在 373K (100°C) 時，水現在處於沸點。分子完全從彼此分離，它們的勢能增加。DE 比 BC 大得多，因為所有鍵都需要斷裂才能形成氣體。（汽化潛熱。）

• EF

水現在是蒸汽，分子比以前移動得更快。它們的動能繼續增加，因為能量不斷供應。

在 BC 和 DE 部分，發生狀態變化時，分子動能不增加，而是勢能增加。提供的熱量沒有改變這些部分的溫度，而是用於打破分子之間的鍵。

比熱容

一些材料會比其他材料更快地升溫。例如，金屬是熱的良導體，只要它們的質量相同，並且以相同的速率提供能量，銅就會比水更快地升溫。

比熱容可以告訴我們提高物質溫度需要多少能量，定義為

物質的比熱容在數值上等於使 1 kg 物質溫度升高 1K（或 1 °C）所需的能量。

這可以表示為

$c={\frac {Q}{m\Delta t}}$

或重寫為：

${Q}=mc\Delta T$

其中 ${Q}$ 是所提供的能量，$m$ 是物質的質量，$c$ 是比熱容，而 $\Delta T$ 是溫度變化。

測量比熱容

要找到某物的比熱容，我們可以控制所有可能的變數，然後用它們來計算。從上面的公式我們可以看出 $c={\frac {Q}{m\Delta T}}$。這意味著如果我們能向已知質量的材料提供已知的能量，並測量溫度變化，我們就可以將這些值代入公式，得到比熱容。

為了提供已知的能量，我們可以使用電加熱器。你可能還記得電能可以透過 $E=IVt$ 求得，因此，透過測量電壓、電流和電路接通的時間，我們將得到提供給材料的能量值。

在電路接通的同一時間段內，我們必須測量溫度變化。可以使用普通的汞溫度計，但建議使用帶有計算機的溫度感測器進行更精確的測量。

一旦我們以規律的時間間隔測量了溫度和能量，我們就可以繪製 $Q$ 對 $\Delta T$ 的影像。我們可以計算斜率，確保在計算中使用盡可能多的直線部分，並將其除以材料的質量，得到材料的比熱容。

比潛熱

當你加熱一種物質使其改變狀態時，溫度在改變過程中保持不變。不同的物質需要更多的能量才能改變狀態。比潛熱 將告訴我們一種物質改變狀態需要多少能量，它被定義為

比潛熱在數值上等於在不改變溫度的情況下改變 1 kg 物質狀態所需的能量。

這可以用以下公式表示

${l}={\frac {Q}{m}}$

或重寫為：

$Q=ml$

其中 $Q$ 是所提供的能量，$m$ 是物質的質量，而 $L$ 是比潛熱。

氣體定律

氣體有四個性質，它們彼此相關。這些性質是氣體的壓力、溫度、體積和質量，這些關係用氣體定律來表達。

玻意耳定律

玻意耳定律將氣體的壓力與它的體積聯絡起來。具體來說，它指出

在溫度保持不變的情況下，一定質量的氣體壓力與其體積成反比。

這可以表示為 $p\propto {\frac {1}{V}}$ 或 $pV=constant$.

從分子水平上來看，你可以想象一下，氣體粒子在一個特定大小的容器中與容器壁碰撞的次數，然後想象一下，當容器的大小減小而粒子數保持不變時，碰撞次數會增加。這被觀察為氣體壓力的增加。

查理定律

查理定律將氣體的體積與其在熱力學溫標上的溫度聯絡起來，並且

在恆定壓力下，一定質量氣體的體積與其在熱力學溫標上的溫度成正比。

這可以表示為 $V\propto T$ 或 ${\frac {V}{T}}=constant$.

要理解這一點有點困難，因為氣體總是會佔據其容器的全部體積。如果你考慮一下粒子被加熱時是如何表現的，它會振動得更多，導致壓力的增加，或者分子對容器的碰撞更劇烈、更快。然而，由於在這種情況下壓力應該保持恆定，所以容器的體積需要增加。因此，透過提高氣體的溫度，我們已經增加了它的體積。

壓強定律

在恆定體積下，一定質量氣體的壓強與其熱力學溫度成正比。

這可以表示為 $p\propto T$ 或 ${\frac {p}{T}}=constant$.

理想氣體方程

$pV=nRT$

n 是氣體的摩爾數，

R 是理想氣體常數，R ≈ 8.314 J/(mol･K)

T 是以 K 為單位的絕對溫度，

p 是以 Pa 或 Nm⁻² 為單位的壓強，

V 是以 m³ 為單位的體積。

理想氣體的性質

1) 它的粒子應該是單原子的

2) 粒子是無限小的

3) 粒子之間沒有相互作用，因此所有能量都是動能。