熱學與熱學熱學與熱學周鑑恆周鑑恆 萬能科技大學 光電系 萬能科技大學 光電系 (( 台灣 中壢市台灣 中壢市 ) ) chou0717@gmail.com 0921 612 404 chou0717@gmail.com 0921 612 404

熱學概念圖熱學概念圖

盆栽盆栽

好的教材， 要能從使整個科學主題”清析扼要”的角度，向學生介紹該科學主題。

就如同從不同角度看此盆景，有些角度此盆景顯得特別簡單。

力學力學 : : 剛體剛體 ------ 轉動、移動 、平衡轉動、移動 、平衡

力學力學 : : 剛體剛體 ------ 轉動、移動 、轉動、移動 、平衡平衡

力學力學 ::彈性體彈性體 ------ 震動震動(( 物質未動物質未動 ))

力學力學 ::流體流體 ------ 流動流動 (( 物質流物質流動動 ))

熱學熱學 -------- 與力學有何不同與力學有何不同

摩擦生熱摩擦生熱

摩擦生熱摩擦生熱

摩擦生熱摩擦生熱

微波加熱微波加熱

雷射加熱雷射加熱

通電加熱通電加熱

渦電流加熱渦電流加熱

渦電流加熱渦電流加熱

渦電流加熱渦電流加熱

(( 作作 )) 功功

因溫度差而傳遞的能量 因溫度差而傳遞的能量 --- (--- ( 加加 ))熱熱

傳導傳導

輻射輻射

輻射輻射

對流對流

溫度變化和相變溫度變化和相變

Fig. 1 In a solid, the molecules are bond together as if they are connected by springs. Fig. 1 In a solid, the molecules are bond together as if they are connected by springs. The molecules are in random vibration and the temperature of the solid is a measure of The molecules are in random vibration and the temperature of the solid is a measure of the average kinetic energy of the molecules.the average kinetic energy of the molecules.

Fig. 2 The gas molecules in a container are in rapid random motion. The temperature of Fig. 2 The gas molecules in a container are in rapid random motion. The temperature of the gas is a measure of the average kinetic energy of the molecules.the gas is a measure of the average kinetic energy of the molecules.

相變相變

熱學最重要的兩個定律

熱力學第一定律熱力學第一定律(( 能量守恆能量守恆 ))

熱力學第二定律熱力學第二定律(( 狀態的機率狀態的機率 ))

氣體動力論氣體動力論 (simplest system)(simplest system)

MaxwellMaxwell Boltzmann Boltzmann Johannes van der Waals Johannes van der Waals

把把熱學的主角熱學的主角塞到塞到熱機熱機中中成為成為工作流體工作流體

熱機熱機成為成為熱力學熱力學第一定律及第二第一定律及第二定律的重要且實用的例子定律的重要且實用的例子

熱機熱機成為最有趣的熱學成為最有趣的熱學核心實驗核心實驗

熱機原理熱機原理從物理學的角度來看，儘管各

種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid) 。

熱能進入工作流體之後，透過工作流體之運作，轉換成動能。

熱機原理熱機原理 往復式蒸汽機、渦輪蒸汽機、柴油引擎、汽油引擎、噴

射引擎、衝壓引擎、轉子引擎， 無論這些熱機的構造複雜與否； 也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中

燃燒燃料 ( 內燃 ) ，還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體 ( 外燃 ) ；

也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質；

也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，

他們的工作原理都是一樣的：「工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。」

把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論 Rankine 循環、 Otto 循環、 Diesel 循環，或者Brayton 循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。

熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之後，又必然恢復到原來狀態時，之後，又必然恢復到原來狀態時，

被加熱時獲得的熱能，因為機率的原故，被加熱時獲得的熱能，因為機率的原故，不可能完全經做功轉換成機械能不可能完全經做功轉換成機械能，，

所以沒有完美的熱機。所以沒有完美的熱機。

其他熱學現象，其他熱學現象，同樣同樣也也因為機率的原故因為機率的原故，，其變化有一定的方向其變化有一定的方向 (( 例如：熱平衡例如：熱平衡 ))

熱機原理 熱機原理 往復式蒸往復式蒸汽汽機機

熱機原理 熱機原理 汽油引擎汽油引擎

熱機原理 熱機原理 噴射引擎噴射引擎

熱機原理 熱機原理 噴射引擎噴射引擎

史特林引擎史特林引擎的定義的定義 史特林引擎是一種外燃式的熱機史特林引擎是一種外燃式的熱機 嚴格而言，凡是利用工作流體在冷、嚴格而言，凡是利用工作流體在冷、熱區之間移動，遂行壓縮的工作流體熱區之間移動，遂行壓縮的工作流體經加熱而膨脹作正功，膨脹後先冷卻經加熱而膨脹作正功，膨脹後先冷卻再壓縮作負功的熱機循環，這樣的機再壓縮作負功的熱機循環，這樣的機構都稱為史特林引擎。構都稱為史特林引擎。

熱力學第一、第二定律熱力學第一、第二定律利用利用史特林引擎、蒸汽機史特林引擎、蒸汽機、噴射引擎、噴射引擎，演示熱和功進出工作流體的情形。，演示熱和功進出工作流體的情形。