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熱物理
Thermal Physics
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物理系統的冷熱狀態有很大的區別!
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冷熱狀態改變時,發生激烈的熱交互作用
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冷熱會改變一個物體除了位置以外的某些性質,透過這些性質來研究冷熱。
熱物理研究物體的冷熱狀態及相關的交互作用。
除了研究位置與運動的力學之外,還有熱物理 Thermal Physics
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冷熱狀態 L 長度一對一對應
固體或液體通常大小會隨冷熱變化
同一個物體若大小相同,它必定處於同一個冷熱狀態!
可以唯一地標定物體的冷熱狀態的性質稱為熱座標
大小可以唯一標定物體的冷熱狀態!
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液體的密度會隨冷熱而變化
密度即是液體的熱座標
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氣體的體積與壓力都是熱座標
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熱交互作用會趨向熱平衡。
熱平衡就是熱作用不再進行的狀態。
狀態改變時發生熱作用或熱反應
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在室內:
熱平衡有一個很重要的特性:
BABC,AC
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BABC,AC
熱平衡可以只用一個物理量的相等來描述:
BAACBC TTTT,TT
熱力學第零定律
BABCAC ,
這是數的相等關係的基本原則:
熱平衡時溫度相等。
熱平衡的特性:
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任一物體或系統只要有熱作用都有溫度
只要一個物理量就可以決定熱平衡與否!
不同的系統,熱座標可以各式各樣,但都擁有溫度!
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宇宙也是有溫度的!宇宙溫度: 2.7 K 。
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一對一對應
冷熱狀態 可觀察的熱座標
一對一對應
冷熱狀態 T 溫度
可觀察的熱座標T 溫度
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T 溫度 L 長度
溫度為長度的一個函數 T(L)
一對一對應
以固體為例:
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TLL
L
L
線膨脹係數
長度與溫度的關係就由熱膨脹係數來決定:
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金屬比礦物結晶膨脹係數大
不變鋼
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接近冰點的水是例外
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溫度與熱座標有一對一的對應。
L,T狀態
固體的熱物理是由單變數控制的系統
冷熱狀態可以以一個軸上的點來代表
熱座標及溫度就是軸上的座標轉換!
以熱座標的值畫成一個軸:
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熱平衡的狀態溫度相等!
達成熱平衡之前狀態如何變化?
熱平衡會在哪一個溫度達成?
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一冷一熱物體達成熱平衡後,兩者相等的末溫會是介於初始的高低溫之間!
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T1 T2
(T1+T2)/2
溫度變化相等
021 TT
這個結果非常類似物質守恆
021 MM
21 TT
在熱作用中,兩個系統似乎交換了一種數量不變的物質!
完全相同的系統
(T1+T2)/2
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熱量守恆與物質守恆類似,早期認為熱量是一種物質
熱交互作用時,系統所交換的稱為熱量 Heat 。
吸收或放出熱量 Q 溫度變化 ΔT
TmcTCQ
所交換熱量通常造成溫度變化,兩者通常成正比。
熱容量與系統大小有關 比熱只由材質決定,與大小無關
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交換熱量意味著熱量守恆
0222111 TcmTcm
進行熱作用時,系統交換熱量。
fff TTT 21
0222111 ifif TTcmTTcm
有了比熱的資料,熱作用的過程就可以預測。
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同樣的熱量交換,比熱大,溫度變化小
水的比熱很大,溫變不易!
TmcTCQ
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溫和溫差小 晝夜溫差大
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相變時也會交換熱量
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水的比熱
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交換熱量有時溫度不變,此時會發生相變
單位質量物體發生相變時的熱量交換固定。
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MLQ
Melted Gallium
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但是!摩擦生熱!熱量似乎憑空出現!
這個過程可以無限制地進行下去,熱是物質的說法就無法解釋。
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牛頓力學中,機械能是守恆的,所以熱量也可能是一種能量。
Ui Uf KfKi
克服摩擦力所作的功,造成系統得到熱量而變熱!
QW
功與熱的確相關,但真是同一個東西嗎?
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1845 Joule
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功 熱量交換
能量變化
作功與加熱可以讓系統進行同樣的變化!
因此熱量交換即是系統的能量變化!
重物所做的功使系統溫度增加。
4.2 焦耳的功永遠對應於 1卡的熱量!
焦耳的實驗更確立了熱與功永遠以一定的比例互換。
焦耳的發現讓熱學與力學連在一起。
熱量與功都是能量交換的一種形式。
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intintint )()( ETETEmcTmcTTTmcQ ififif
L,T狀態
)0()( intint EmcTTE
在熱作用中,溫度改變,熱量交換,造成物體的能量變化
Internal Energy 內能
)(int TE
每一個溫度必定對應一個內在能量!
熱力學第一定律
熱量就是在熱交互作用中傳遞的一種能量! intEQ
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int 0E K U
摩擦力所做的功化為熱,造成周圍環境內能變化
如果將溫度考慮進來,摩擦作的功,也如位能,可以寫成一個物理量在前後狀態的改變!
有摩擦,似乎機械能就不守恒!
第一定律找到一種新的能量形式,位能是由位置決定,而內能是與溫度相關!
UKEQdfk int
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UiUf KfKi Eint i
Eint f
)(int TE 內能是溫度的函數
int 0E K U
是守恆量 intE K U
熱力學第一定律
機械能如果被擴展到包括內能,能量還是會守恆!
熱交互作用本質上是一種能量交換的過程!
熱交互作用基本上是一種能量混亂交換的過程!
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T 溫度
溫度為長度的函數 T(L)
L 長度
intETTmcQ if
有了這兩個係數,固體的所有熱性質都可以研究了!
TLL
熱力學第一定律熱力學第零定律
Eint 內能
內能為長度也是溫度的函數 Eint(L)
熱平衡 熱作用
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0222111 ifif TTcmTTcmTLL
熱物理學能預測的基本上以平衡態的性質為主,
平衡態是與時間無關的!
這與力學非常不同。
力學預測的是物理量與時間的關係!)(tx
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intEQW 功可以轉換為熱
功也是一種能量,熱量是一種能量
功與熱有甚麼不同?
要研究這個問題得先找一個可以同時交換功與熱的系統!