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1、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,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
2、巨觀物質能量因 外界因素(功和熱)而改變的定律。,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,時間反轉對稱,可逆過程,自由膨脹,不可逆過程,熱力學系統,牛頓力學系統,熱力學第零定律,A,B,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,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
3、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。,焦耳James Prescott Joule, 1818-1889,熱=能量,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， 18211894,熱力學第一定律,引進物理
4、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,理想氣體(氣體分子間相互作用力可忽略)：氣體的狀態滿足,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,絕熱過程,氣體的內能只和熱平衡溫度有關(氣體分力運動論),等溫膨脹,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,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
5、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,b c (絕熱膨脹),c d (等溫壓縮) 固定,d a (絕熱壓縮),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,熵的概念,a b (等溫膨脹),卡諾熱機熵的計算,=,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,永動機不存在,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,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,
