熱力學jit6 lik6 hok6(thermodynamics),又叫熱動力學jit6 dung6 lik6 hok6,係物理學嘅一門領域,專門研究熱(heat;物質嘅粒子郁動嗰時有嘅能量)、作功同埋溫度,仲有係呢啲嘢會點樣同能量、輻射以及物質嘅特性互相影響。古典熱力學理論用咗四條定律,講明一啲量度得到嘅物理量之間成咩關係,好似係講能量守恆嘅熱力學第一定律噉,就可以寫成以下嘅方程式:
呢條式嘅意思簡單講係「所有能量,形式可以轉化,但就唔能夠憑空產生,亦都唔會憑空消失」。
熱力學所研究嘅嘢喺好多自然同人造嘅系統嗰度都會見得到:好多重要嘅物理同化學現象都涉及熱,例如好多化學反應都會吸熱或者放熱,所以熱力學上嘅知識有助化學方面嘅研究;熱力學方面嘅知識亦都幫到工程師手諗計控制同利用熱能,而對熱能嘅運用能夠幫手創造出好多有用嘅機械,例子可以睇吓靠蒸汽嘅流動帶動機件嘅蒸汽機-多門領域嘅工程師都會用到熱力學上嘅知識。
除此之外,熱力學仲對宇宙學研究有啟發作用。例如熱寂(heat death)就係宇宙學家按熱力學第二定律作出嘅一個有關宇宙最終命運嘅猜想;根據熱力學第二定律,是但搵個封閉系統,隨住時間過去,個系統內部嘅粒子同能量頂櫳維持唔郁,而喺現實多數會慢慢走位,漸漸趨向熱力學平衡(簡單講就係溫度完全平均分佈嘅狀態)。如果宇宙最後真係變成熱力學平衡,根據物理學家計算,宇宙會變成一個溫度分佈完全平均,而且凍到絕對零度(大約 -273.15 °C)咁滯嘅空間,唔會再有任何作功,更加唔會有生命-呢個情況就係假想中嘅熱寂。
熱力學最根本嘅研究對象係溫度,所以要做熱力學,首先就要定義「溫度」。呢條查實係一條相當撈絞嘅問題:溫度反映一樣嘢「熱」定「凍」,而喺直覺上,人能夠理解乜嘢係熱乜嘢係凍,但一般人通常做唔到對溫度呢個概念俾一個明確嘅定義;不過喺廿一世紀初嘅物理學上,溫度經已有咗個定義-溫度係指啲粒子帶嘅動能(kinetic energy;有關動能係咩,可以睇吓牛頓力學相關嘅內容)。
喺最基本上,如果完全唔靠任何物理學知識嘅話,溫度可以就噉想像成「溫度計所反映嘅數值」:
有咗上述嘅知識,一個人就有得郁手研究溫度。
然後,想像一位想研究溫度嘅人攞住手上嘅溫度計同「溫度就係溫度計反映嘅物理量」嘅知識。佢可以觀察得到壓力(pressure, ;指一件物體表面每單位面積承受緊幾大嘅力)嘅現象:佢將一團溫度喺攝氏 20 度嘅氣體封死喺一個透明嘅容器入面,跟住佢將團氣體同個容器加熱(例如放入去一煲滾水入面);如果個容器有個蓋而且溫度夠熱,可以搞到個蓋(如果個蓋夠輕)飛走-個蓋實係受咗一股力得到動量。
透過好似呢啲噉嘅實驗,佢確立咗壓力嘅概念,而且可以觀察到理想氣體定律(ideal gas law)所講嘅嘢:
係團氣體嘅體積, 係團氣體入面有幾多粒粒子(簡單講可以想像成物質量), 係一個常數,而 就係團氣體嘅溫度(用溫度計量度到)。假想個人身處嘅世界經已確立咗原子論,知道物質係由一大柞細細粒嘅粒子組成嘅,佢可以將團氣體想像成一大柞係噉喺度郁嘅粒子,好似下圖嘅想像圖噉:
圖中嗰啲黑色點點係想像中嘅粒子,紅色嘅係啲粒子嘅郁動軌道,白色嘅空間係粒子可以郁嘅空間,灰色嘅係個容器嘅殼,紅色箭咀係一粒粒子撞埋個容器嘅殼嗰陣向個殼嘅表面施嘅力。根據古典力學上嘅知識,當一嚿嘢撞埋去另一嚿嘢嗰時,會有動量( )嘅轉移,即係話:
當中 係指個殼嘅動量變化, 係指粒粒子臨撞嗰刻嘅動量嘅 X 軸(想像三維空間)部份,假想粒粒子撞前撞後動量嘅數值一樣但彈返轉頭(方向變咗相反), 。假想每隔 (一個極細嘅數值)咁耐嘅時間就有粒粒子撞落個殼嗰度,個殼因為一吓撞擊受嘅力( )係:
而設
係粒子嘅數量(呢個數值大得好交關),而 係指啲粒子嘅平均 X 軸速度數值。再將粒子嘅速度 想像成 ,得出:
呢股力會施喺一塊 咁大嘅表面嗰度,即係話壓力(每單位面積嘅力)等如:
因為設咗個容器係立方體,所以個容器嘅容量 ,於是:
將上面條式掉一掉嘅話,
將理想氣體定律 代入去嘅話,
最後得出
由古典力學嗰度已知,一嚿嘢嘅動能係 -得出「一團氣體嘅溫度( )係由粒子嘅平均動能反映嘅」。
熱力學系統(thermodynamic system)係熱力學上分析常用嘅抽象化方法:當有物理學家想對宇宙嘅某一橛仔作出熱力學分析嗰陣,佢可以將嗰一橛仔想像成一個物理系統,而呢個系統會
當中界限係個系統同個系統周圍環境之間嗰埲「牆」,可以按以下呢幾種特性分類:
例如地球就可以想像成一個熱力學系統:
地球內部嘅物質能量流動 | ||||||
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地球同外部環境之間嘅物質能量流動 | ||||
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熱力學定律(laws of thermodynamics)係指熱力學上講到嘅四條定律,喺大約 1860 年代嗰陣確立嘅。每條定律都會有某啲條件,如果有個熱力學系統達到嗰啲條件,噉條定律所講嘅嘢實會係成立。熱力學定律嘅內容如下:
熱力學第零定律(zeroth law)係有關熱平衡(thermal equilibrium )嘅。熱平衡係熱力學系統有可能處於嘅一種狀態:如果話兩個熱力學系統之間成熱平衡,意思即係話就算兩個系統之間容許熱嘅流動,兩者之間整體上都唔會有任何嘅能量流動-就算有能量流動,「由 1 去 2 嘅能量流動」都會同「由 2 去 1 嘅能量流動」互相抵消,整體上兩者帶嘅能量都冇變(no net change in energy);如果話一個系統同自己成熱平衡,就係話個系統內部嘅溫度完全平均分佈而且唔會隨時間變化;而如果兩嚿唔同溫度嘅物體掂住而且佢哋之間可以俾熱流通,噉兩嚿嘢遲早會變成一樣溫度-例如想像一個人用手攞住杯雪糕而且佢周圍嘅氣溫喺 0°C 以上,啲雪糕會由周圍環境嗰度得到熱,去到咁上下溫度升到熔點以上就熔,最後再變到同周圍環境溫度一樣。
熱力學第零定律講嘅嘢如下:
「 | 」 |
熱力學第一定律(first law)講嘅係能量守恆(conservation of energy)。想像家陣有個蘋果由樹上面跌落嚟(自由落體),隨住佢向下移,佢會因為地心吸力而加速,速度數值上升表示動能都跟住上升,但同時佢又會喪失勢能;又想像有兩嚿唔同溫度嘅物體掂埋一齊,佢哋最後會進入熱平衡(睇返第零定律),喺呢個過程當中,原先熱啲嗰嚿物體溫度低咗(啲粒子喪失咗動能)而原先凍啲嗰嚿物體溫度高咗(啲粒子得到動能)-物理學家留意到,啲物體要得到能量往往需要第啲物體喪失能量或者嚿物體本身喪失第種能量。而及後嘅研究嘗試用數學證明嘅方法,成功噉由當時已知嘅物理定律嗰度推理出能量守恆定律。
熱力學第一定律講嘅係:
「 | 一切嘅能量,形式可以轉化,但就唔能憑空產生,亦都唔會憑空消失。 | 」 |
而如果個過程冇物質嘅流動,熱力學第一定律可以寫做以下呢條式:
當中 係一個封閉系統嘅內部能量改變, 表示以熱嘅形式傳俾個系統嘅能量總量, 表示由個系統向周圍環境施嘅作功。
熱力學第二定律(second law)係有關熵(entropy)嘅。首先,考慮 呢個數值:是但搵個熱力學系統,佢會有一啲宏觀性質(例如溫度、壓力等),而個系統會有若干個可能嘅微狀態(microstate;「粒子 A 喺位置 X 而粒子 B 喺位置 Y...」、「粒子 A 喺位置 Y 而粒子 B 喺位置 X...」等等),能夠同個系統啲宏觀性質吻合嘅微狀態數量就係 咁多個;熵係 嘅函數,即係話熵反映咗「已知個系統嘅宏觀性質係噉,個系統有幾多個可能嘅微狀態」。假設每個微狀態都一樣咁有可能發生(機會率一樣),個系統嘅熵可以用以下呢條式計出嚟:
當中 kB 係波茲曼常數(Boltzmann constant)。而熱力學第二定律講嘅嘢如下:
「 | 」 |
呢條定律用方程式表達嘅話如下:
當中 係指「 嘅改變」。
熱力學第二定律仲有引起宇宙學(cosmology)方面嘅思考:宇宙學係一個專門研究宇宙嘅領域,包括研究宇宙最終命運,指有關「宇宙最後會變成點」嘅思考;有物理學家基於熱力學第二定律作出設想,假想最後宇宙後真係完全變成熱力學平衡,物質能量完全平均噉分佈;佢哋計過條數,預想喺噉嘅情況下,宇宙將會成為一個溫度去到絕對零度(-273.15°C)咁滯嘅空間,唔會再有任何作功,更加唔會有生命-而呢個情況就係假想中嘅熱寂(heat death)。
熱力學第三定律(third law)係講緊絕對零度(absolute zero)嘅可能性。絕對零度係一樣純概念性嘅嘢:由上面對溫度概念嘅研究嗰度可知,溫度源自粒子嘅動能;噉想像隨住粒子郁動嘅速度愈嚟愈慢(嚿物體愈嚟愈凍),理應會去到一個點,係啲粒子完全唔郁(動能 )-呢個狀態會係想像中嘅一個絕對最低嘅可能溫度,而呢個溫度正正就係所謂嘅絕對零度;喺呢個狀態下,熵會去到最細嘅可能數值( )-喺絕對零度之下,啲粒子完全唔會郁,所以狀態唔會有任何嘅變化,如果已經知道個系統而家嘅微狀態,噉個系統跟住落嚟所有時間點嘅微狀態都會變成已知,而 。絕對零度嘅空間會係一個完全死寂嘅空間,而根據廿一世紀初嘅計算(靠考慮粒子動能等嘅嘢),絕對零度係 -273.15°C-又或者叫 0°K(開氏 0°)。
熱力學第三定律講嘅就係呢樣嘢:
「 | 」 |
... 等等。
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