物理學習指南/熱力學

介紹

熱力學處理熱量的運動及其轉化為機械能和電能等。

熱力學定律

第一定律

第一定律是能量守恆定律的表述。

$\Delta U=Q-W$

第一定律可以表示為系統內能的變化 ($\Delta U$) 等於新增到系統的能量 (Q)，例如熱量，減去系統對周圍環境所做的功 (W)。

如果 Q 為正，則系統已獲得能量（透過加熱）。

如果 W 為正，則系統已損失能量，因為它對周圍環境做了功。

如所寫，這些方程存在問題，因為 Q 或 W 都不是狀態函式，或者是在不瞭解系統歷史的情況下無法透過直接測量來確定的量。

在氣體中，第一定律可以用狀態函式表示為

$dU=Tds-pdV$

第零定律

在第一定律被命名之後，物理學家意識到還有一個更基本的定律，他們稱之為“第零定律”。

這是：

如果兩個物體處於相同的溫度，它們之間就不會有熱量流動。

“第零定律”的另一種形式可以描述為

如果兩個物體與第三個物體處於熱平衡，則它們彼此也處於熱平衡。

這個第二個說法反過來又導致了溫度 (T) 的定義：

溫度是兩個處於熱平衡狀態但彼此不同的物體之間唯一的相同的東西。

第二定律

該定律指出，熱量永遠不會從冷物體流向熱物體。

$S=k_{B}\cdot ln(\Omega )$

其中 $k_{B}$ 是玻爾茲曼常數 ($k_{B}=1.380658\cdot 10^{-23}{\mbox{ kg m}}^{2}{\mbox{ s}}^{-2}{\mbox{ K}}^{-1}$) 和 $\Omega$ 是配分函式，即系統中所有可能狀態的數量。

這是熵的統計定義，也存在“宏觀”定義

$S=\int {\frac {\mathrm {d} Q}{T}}$

其中，T 代表溫度，dQ 代表系統能量的增量。

熱力學第三定律

第三定律指出，絕對零度無法達到。

溫度尺度

有多種不同的尺度用於測量溫度。在物理學中，您最常遇到的尺度是攝氏度和開爾文。

攝氏溫度使用符號Θ。攝氏度的符號是°C。開爾文溫度使用符號T。開爾文的符號是K。

攝氏溫標

攝氏溫標以水的熔點和沸點為基礎。

水的冰點為0 °C。這稱為冰點。

水的沸點為100 °C。這稱為沸點。

攝氏溫標有時也被稱為“百分溫標”，但國際計量大會（CGPM）早在1948年就從當時使用的三種名稱中選擇了攝氏度，因此“百分”和“百分溫標”不再使用。更多詳情請參見維基百科。

開爾文溫標

開爾文溫標基於比冰的熔點更基本的溫度。這是絕對零度（相當於 −273.15 °C），任何物體可以冷卻到的最低溫度——任何系統的動能都處於最小值。開爾文溫標是根據氣體樣本的壓力和體積隨溫度變化的觀察而制定的——PV/T是一個常數。如果溫度 (T) 降低，則氣體體積 (V) 所施加的壓力 (P) 也會按比例降低。這是一個簡單的實驗，可以在大多數學校實驗室進行。假設氣體在-273攝氏度時不施加壓力。（實際上，所有氣體都會在略高的溫度下凝結成液體或固體。）

雖然開爾文溫標的起點與攝氏溫標不同，但其單位大小完全相同。

因此

開爾文溫度 (K) = 攝氏溫度 (°C) + 273.15

比潛熱

當物質發生狀態變化時，需要能量來斷裂鍵。這種能量有時被稱為潛熱。在狀態變化過程中，溫度保持恆定。

要計算狀態變化所需的能量，可以使用以下公式

傳遞的熱量，ΔQ (J) = 質量，m (kg) x 比潛熱，L (J/kg)

比潛熱L是使1 kg物質在不改變溫度的情況下發生狀態變化所需的能量。

熔化潛熱是指熔化。汽化潛熱是指沸騰。

比熱容

比熱容是指使一定質量的物質升高一定溫度所需的能量。

被加熱或冷卻的物質的溫度變化取決於物質的質量以及輸入的能量。但是，它也取決於該物質的特性。這種對溫度變化的影響由物質的比熱容 (c) 表達。在國際單位制中，它的單位為 J/(kg·K)。

內能變化，ΔU (J) = 質量，m (kg) x 比熱容，c (J/(kg·K)) x 溫度變化，ΔT (K)