熱力學 熱力學 The Laws The Laws of of

ThermodynamicsThermodynamics

熱力學 熱力學 The Laws The Laws of of

ThermodynamicsThermodynamics

會計會計 9797 級級 H14931219H14931219 黃佳雯黃佳雯

一、熱力學發展史

• 人類很早就對熱有所認識，並加以應用。但是將熱力學當成一門科學且有定量的研究，則是由 17 世紀末開始的，也就是在溫度計製造的技術成熟以後，才真正開啟了對熱力學的研究。

• 熱力學發展史，基本上就是熱力學與統計力學的發展史，約可分成四個階段：

第一個階段： 17 世紀末到19 世紀中葉

• 此時期累積了大量的實驗與觀察的結果，並製造出蒸氣機，對於 " 熱 (Heat)" 的本質展開研究與爭論，為熱力學的理論建立作好了暖身。在 19 世紀前半葉，首先出現了卡諾理論，熱機理論 ( 第二定律的前身 ) 和功熱互換的原理( 第一定律的基礎 ) 。這一階段的熱力學還留在描述熱力學的現象上，並未引進任何的數學算式。

第二個階段： 19 世紀中到19 世紀 70 年代末

• 此階段熱力學的第一定律和第二定律已完全理論化。由於功熱互換原理建立了熱力學第一定律，由第一定律和卡諾理論的結合，導致熱力學第二定律的成熟。另一方面，以牛頓力學為基礎的氣體動力論也開始發展，但這期人們並不了解熱力學與氣體動力論之間的關連。

第三個階段： 19 世紀 70年末到 20 世紀初

• 這個時間內，首先由波茲曼將熱力學與分子動力學的理論結合，而導致統計熱力學的誕生，同時他也提出非平衡態的理論基礎，至 20 世紀初吉布斯 (Gibbs)提出系綜理論建立統計力學的基礎。

第四個階段： 20 世紀 30年代到今

• 主要是量子力學的引進而建立了量力統計力學，同時非平衡態理論更進一步的發展，形成了近代理論與實驗物理學中最重要的一環。

二、溫標 熱 (heat):Heat is the energy transferred

between objects because of a temperature difference.

常用的溫度標度 :• 攝氏溫標 (The Celsius Scale) 以 ° C 表示• 華氏溫標 (The Fahrenheit Scale) 以 ° F 表示• 凱氏溫標 (The Kelvin Scale) 以 K 表示

攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標之關係

三個的關係式為 :• TF = (9/5F°/C°)TC + 32° F• TC = (5/9C°/ F°)( TF - 32° F)• K = TC + 273.15

熱平衡與絕對零度• 熱平衡 (Thermal equilibrium): 在物體間沒有熱的交換就稱他們處於熱

平衡狀態。• 絕對零度 (Absolute Zero): 實驗證明某一個最低溫度無法再將一個

物體繼續冷卻，稱為絕對零度也就是 0K 。

三、熱膨脹 • 大部分的物體遇到熱之後都會膨脹，熱膨脹也

是製作溫度計的基礎。• 線膨脹 : 當一物體長度 L0 ，溫度改變了 ΔT ，

則長度增加了 ΔL ΔL = αL0ΔT (α 為線膨脹係數 )• 體膨脹 : 當一物體體積 V ，溫度改變了 ΔT ，

則體積增加了 ΔV ΔV = βVΔT (β 為體膨脹係數 )

線膨脹和體膨脹係數的關係

• 線膨脹和體膨脹係數的關係為 β = 3α

※水大約在 4° C 的時候密度最大，當溫度上升或下降的時候密度變小。

四、熱的傳播方式 熱從高溫物體傳到低

溫物體，通常有 3 種傳播方式 : 傳導、對流、輻射。

傳播方式 傳 遞 方 式 介 質

傳導 介質本身不移動 主要為固體

對流 介質本身帶著熱流動

主要為流體 (液體、氣體 )

輻射 不需要介質 以電磁波的方式直接傳遞

傳導 (conduction) 1. 熱經物質，從高溫傳到低溫，而作為媒介的

物質本身卻不發生移動的現象，稱為傳導。2.微觀分析：物體中溫度較高的部分，分子振

動較活躍，這些分子可以把能量傳給鄰近較不活躍的分子，使得鄰近分子也變得更活躍，因而該處的溫度也隨著高起來，熱也因而從高溫處傳到低溫處。

3. 高低溫差越大，熱傳導也越快速。4.影響熱傳導之因素有：物質本性 ( 熱導

係數 ) 、傳導物體之截面積、傳導之距離、傳導物體兩端之溫差、傳導的時間。

5.根據物質對熱的傳導能力不同，可將物質分為「熱良導體」與「熱不良導體 ( 熱絕緣體 )」兩種。

熱良導體：所有的金屬都是熱的良導體。因為金屬內有許多自由移動的電子，這些電子受熱時，速度變得很快，因此金屬就經由電子傳遞能量，故導熱能力遠優於非金屬物質。其中以銀的傳導性最佳。

熱不良導體：大部分的液體、所有的氣體、石棉、保利龍、塑膠、木頭、玻璃等。

6. 氣體的熱傳導能力很低，可說是很好的熱絕緣體。

• 用棉花、羊毛等製成的衣物或被蓋，較其它的織品保暖，是因為它們的纖維間可以容納較多量的空氣，使得熱量不易從身體傳導到外界。

• 有些西式房子在屋頂加蓋閣樓，閣樓裡的空氣使得熱不易傳入也不易傳出，故閣樓下的房子可保持冬暖夏涼。

• 冰箱外殼中，有一層以發泡物質為主的絕熱材料，其原理也是利用泡孔內容納的氣體，提供了良好的絕熱效果。

7.太空梭梭體表面黏貼的特殊隔熱磚，熱傳導能力非常低，是一種極佳的熱絕緣材料。當太空梭進出大氣層時，因與空氣摩擦產生高溫，隔熱磚的絕熱作用可保護太空梭不致因高溫而受損。

對流 (convention)1.液體或氣體受熱後，溫度升高，體積膨脹使

密度變小而上升，其他溫度較低的液體或氣體，則因密度較大而下沉，形成所謂的對流。

2. 當液體發生對流時，熱量便隨著流動而傳播。• 煮開水的時候，雖然只在壺底加熱，但是很快地整壺水都會變熱。

• 冷氣機通常都裝在室內較高的地方，而壁爐則都裝設在較低的地方，都是考慮到室內空氣的對流作用。

3.自然界的對流現象： 大型鳥類通常要靠上升的熱氣流來滑翔飛行，

以節省體力，使自己能久留高空，伺機補捉獵物。

海風與陸風：A.海風：白天在太陽照射下，陸地吸熱快 (因比

熱較小 ) ，陸地上的溫度高於海上的溫度，接近陸地上的熱空氣上升，使得海面上的冷空氣流向陸地，形成海風。

B.陸風：晚上因陸地散熱快，造成海面上的空氣溫度比陸地上高，因此陸地上的冷空氣吹向海洋，形成陸風。

4.強迫對流：透過外力的驅動，使液體或氣體流動，而達到熱傳導的效果，稱為強迫對流。

•汽車引擎或大型中央空調系統產生的熱，大多用水來冷卻，受熱後的水由馬達送至散熱器將熱排出，冷卻後的水被迫循環流回。

• 冷氣機內部的風扇裝置，強迫與外界的空氣對流，造成冷房的效果。

輻射 (radiation)1. 熱輻射是電磁波的一種，屬於紅外線範圍。當這些電磁波被物體吸收後，物體便因此獲得熱能。即熱的輻射是以電磁波的方式來傳播能量，不需要依靠任何介質。

2.只要物體有溫度 (相對於絕對零度 ) ，其表面都會不斷的輻射出熱能，也同時吸收周遭的熱輻射。

若物體表面輻射出的熱能較吸收的少，則物體的溫度降低；反之則溫度升高。

物體表面在單位時間內所輻射出的熱能，和其表面溫度及面積有關。溫度越高、表面積越大，則所輻射出的熱能也越多。

當物體在單位時間內所輻射出的熱能與吸收的熱能相等時，物體的溫度就不會改變，即物體與外界達到熱平衡。

3. 物體表面的輻射除了與溫度有關外，也和其表面的性質有關。

• 深色的物體比較容易吸收及發出熱輻射。• 表面粗糙的物體比較容易吸收及發出熱輻射。

4. 應用：• 冰箱後面的散熱器都是黑色的，目的就是使熱輻射的效果更佳。

• 太空人的太空衣和救火用的隔熱衣，表面都很光亮，可減少熱的吸收和輻射。

• 儲油槽、輸油管的表面都漆成銀白色，目的在減少輻射的吸收，以免油槽溫度過高而發生危險。

• 不鏽鋼熱水壺，其內表面均磨得十分光亮，目的在於減少輻射以保持熱水的溫度。

五、熱力學定律 1. 熱力學第零定律

(The Zeroth Law of Thermodynamics)

• 假如物體 A 和物體 C處於熱平衡，物體 B和物體 C也處於熱平衡，則物體 A 和物體B也會處於熱平衡。

2. 熱力學第一定律 (The First Law of Thermodynamics)

• 能量在轉移過程中不會無緣無故的增加或消失，只是以不同的形式存在，當有熱能（ ΔQ）由於溫差的原因，由外界傳入一物體，通常會有溫度升高（粒子平均動能增加）且體積膨脹（對外界做功 ΔW）的情形。我們把物體內所有粒子的總機械能稱為該物體的內能（ ΔU），則由能量守恒可得： ΔQ =ΔU + ΔW 即 系統吸收的熱能＝系統內能增加量＋系統對外做功值

• 此即熱力學第一定律。 ΔQ若是負值表示系統放出熱能； ΔW若是負值表示系統被做功；ΔU若是負值表示系統內能減少。

3. 熱力學第二定律 (The Second Law of thermodynamics)

• 在自然界的過程，熱能只會從較高溫處，往較低溫處傳遞。

• 卡諾循環 : 結構最簡單的熱機至少有一個高溫熱源和一個低溫熱源，因此這個熱機必然是由兩個等溫過程（當工質與兩個熱源分別接觸時）和兩個絕熱過程（當工質與熱源脫離時）所組成的一個循環，這就是所謂“卡諾熱機”，這種熱機的循環可以順序進行，也可以逆序進行。當嚴格地按照相反的順序實現了原過程中的各項操作之後，系統和外界都恢復原狀，這樣的理想循環是可逆的，此即“卡諾循環”。

• 法國工程師卡諾於 1824 年提出的基本熱力學循環 ,用以解釋蒸汽機的工作原理 .

• 卡諾循環包括四個階段 :• (1)等溫膨脹 :負荷活塞在住滿理想氣體的汽缸內運

動 ,連續量測氣體的壓力 ,溫度和體積 .在恆定溫度下加熱 ,使氣體膨脹 ,氣壓降低 ,活塞抬升 .

• (2) 絕熱膨脹 :停止加熱 ,但繼續膨脹 , 抬升活塞的同時 ,溫度和壓力都下降 .

• (3)等溫壓縮 : 在恆定溫度下 ,利用適當散熱方式將熱釋放 ,體積減小 ,活塞向下運動 ,氣體壓力增加 .

• (4) 絕熱壓縮 :停止釋放熱量 , 壓力和溫度增加 ,體積減小 ,活塞繼續向下運動 ,直到開始下一循環 .

4. 熱力學第三定律 (The Third Law of Thermodynamics)

• 不可能有比絕對零度更低的溫度，而且絕對零度是無法到達的。把一個物體冷卻到極接近絕對零度是有可能的，目前能到達的溫度是 2*10-8K 。