熱力學1

首先建構熱力學的主要兩個定律開始講起

熱力學第一定律，就是能量守恆定律，

當系統變動能量總和即為輸入能量減去輸出能量

熱力學第二定律　確定了能量不只是一個量，

同時也具有質的特性　當熱咖啡從七十度慢慢向外散熱

變成如同房間的二十度時　咖啡不會從二十度再變回七十度

也就是咖啡中高溫能量的質下降了

此即熱力學第二定律

熱力學分兩種熱力學　一種是古典熱力學

這種熱力學從巨觀的角度去衡量系統性質的變化

不需要從分子的角度一個一個了解　一般工程上都使用此種方法

另外一種是統計熱力學　這種熱力學則從微觀角度來分析

主要是利用統計物質中各分子的性質　來描述熱力學系統中各種性質的變化

再來講到熱力學的單位

任何物理量都需要用到因次　來描述其特性

單位就是指定給因次的大小計量尺度

單位有兩種系統　一為英制　一為SI公制

公制單位使用十進位　英制單位變化比較隨意

在公制中　質量　長度與時間的單位分別為公斤kg　公尺m　秒s

而英制的單位則至磅lbm　呎ft　與秒s

公制與英制質量與長度的單位變換為 1lbm=0.45359 kg

1 ft=0.3048 m

在公制中　力的單位為牛頓 N　定義為使1 kg物理具有 1 m/s^2的加速度所需的力

在英制中　力的單位為 磅-力 lbf

定義為使32.174lbm之物體具有1 ft/s^2之加速度所需的力

其中 g = 9.807 m/s^2 或是 g = 32.174 ft/s^2

再來是能量的單位

SI制的能量常用單位為仟焦耳　1 kJ=10^3 J

而英制的能量單位為Btu　定義為 1lbm水從68度F升溫到69度F時所需的能量

在公制中　將1g的水從14.5度C升溫到15.5度C為1卡　1 cal

而1cal = 4.1868 J　1kJ與1Btu大小約相同　(1Btu=1.0551kJ)

單位的介紹到此　再來我們要提到的是系統與控制體積

系統與控制體積

系統　是指一個所欲研究的物質或區域　系統外的物質或區域稱為外界

系統與外界的中間則稱為邊界

邊界是假想的　邊界既沒有厚度　也不會有物質

但或許邊界可以移動　看工程上的需要去規定

系統可分為開放系統與封閉系統

當物質不能穿透系統邊界時　則稱為封閉系統

又稱為控制質量　而此處注意的是　能量或許可以穿過邊界

畢竟在定義上只有物質不能穿透邊界

可是如果是能量不能與外界交換的系統　就稱為隔絕系統

開放系統　或稱為控制體積

選擇空間中的一個區域作為研究的對象

這個空間包還一些流體可以流出或流入　開放系統允許物質與能量可以穿過邊界

再來提到系統的性質　系統任一特性皆可稱為性質

其中常見的性質包括了壓力P　溫度T　體積V　與質量m

另外黏滯係數　熱傳導度　彈力模數　熱膨脹係數　電阻等　這些都可以稱為性質

性質可以分為兩種　外延性質與內延性質

內延性質代表此性質與系統的質量大小無關　例如壓力　溫度　與密度

相反的　外延性質則代表此性質與系統的大小有關

例如總質量　總體積　與總動量

我們可以用簡單的方式去區別何者是外延性質　何者是內延性質

即將虛擬地把系統一分為二　若是在此狀態下不變的性質就是內延性質

若性質變成一半　就是外延性質

當外延性質除以質量時　則稱為比性質　例如比容　或是比總能(e=E/m)

再來是連續體的假設　任何物質都是由原子所構成的

這些原子分布在空間中　就微觀來看　它們是不連續的

但是只要這個系統夠大　從巨觀來看　這些物質就是一個連續且均勻的物質

只要系統符合連續體的假設　則系統的性質就是點函數

而且在空間中的變化是連續的　不會發生劇烈改變

再來

假設一個系統已不再有變化　此時系統內的性質都可以量測與計算

這些性質就可以用來描述系統的狀態

換句話說　對於一個給定的狀態　所有的性質都是固定的

當系統中某一個性質改變

這個原始狀態就會變化至另一個狀態　這就是兩種不同的狀態了

熱力學的性質必須在平衡的狀態下量測才有意義

平衡意味著系統中沒有任何驅動力　使得性質改變

平衡的形式有很多　例如熱平衡　機械平衡等

而所得的熱力學平衡　是指在系統中各種平衡形式都必須達到平衡

熱平衡指的是沒有溫度差引發熱的傳遞

機械平衡指的是系統壓力不再隨時間而改變

如果系統中有兩種相態　則兩相達到一定的比例不再改變　這種平衡則稱為相平衡

化學平衡指的是系統內淨化學反應率為零　所以各種組成不再隨時間改變

當然　我們知道

一個系統的狀態是由性質來描述

但是需要多少性質才能完整描述一個系統的狀態呢？

狀態假說提出：對於一個簡單可壓縮系統，可以用兩個獨立的內延性質來描述其狀態

但是什麼是簡單可壓縮系統呢？

即為　當一個系統除了壓縮功以外　沒有其他力做功的形式

兩個獨立性質是指這兩個性質可以獨立變化　沒有相依性

也就是當一個性質固定時　另外一個性質可以隨意變化

對於一個簡單可壓縮系統來說

溫度T 與比容v就是一對獨立的性質

然而　溫度與壓力不一定是獨立的性質　對於單相系統來說

壓力與溫度就是一對獨立的性質

但是　如果是在兩相共存時　壓力與溫度就不是一對獨立的性質

舉例來說　在高山時壓力比較小　所以水的沸騰溫度比較低

這樣溫度與壓力在兩相共存時就是相依性質　而非獨立性質

另外說到近似平衡過程

近似平衡過程是指　當系統進行一個緩慢的過程時

系統內部有足夠的時間進行調整　使系統內各處性質的變化都相同

此即近似平衡過程

最後提到熱力學第零定律

熱力學第零定律是指　Ａ物體與Ｂ物體分別與Ｃ物體達到熱平衡

那麼ＡＢ兩物體也會達到熱平衡