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熱力學,全稱熱動力學(法語:thermodynamique,德語:Thermodynamik,英語:thermodynamics,源於古希臘語θερμός及δύναμις),是研究熱現象中物態轉變和能量轉換規律的學科。它着重研究物質的平衡狀態以及與准平衡態的物理、化學過程。熱力學定義許多宏觀的物理量(像溫度、內能、熵、壓強等),描述各物理量之間的關係。熱力學描述數量非常多的微觀粒子的平均行為,其定律可以用統計力學推導而得。

熱力學定律

熱力學可以總結為四條定律:

  • 熱力學第零定律定義了溫度這一物理量,指出了相互接觸的兩個系統,熱流的方向。
  • 熱力學第一定律指出內能這一物理量的存在,並且與系統整體運動的動能和系統與環境相互作用的勢能是不同的,區分出的轉換。
  • 熱力學第二定律涉及的物理量是溫度和熵。是研究不可逆過程引入的物理量,表徵系統透過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。
  • 熱力學第三定律認為,不可能透過有限過程使系統冷卻到絕對零度[1]

應用

熱力學可以應用在許多科學及工程的領域中,例如:引擎、相變化、化學反應、輸運現象甚至是黑洞。熱力學計算的結果不但對物理的其他領域很重要,對航空工程航海工程、車輛工程、機械工程、細胞生物學、生物醫學工程、化學、化學工程及材料科學等科學技術領域也很重要,甚至也可以應用在經濟學中,另見「熱經濟學」。

熱力學史

熱力學史可追溯到1650年格里克設計和建造了世界上第一個真空泵[2],並用馬德堡半球實驗證明了真空的存在,推翻了亞里士多德提出的「自然界厭惡真空」的假說。1656年,物理學家和化學家羅伯特·波義耳借鑑格里克的設計,與羅伯特·胡克發明了抽氣機。利用抽氣機,波義耳和胡克證明了壓強、溫度和體積之間有一定的關係,波義耳給出了波義耳定律,對於一定溫度下的一定量的氣體,壓強與體積成反比。1679年,波義耳的助手丹尼斯·帕潘發明了蒸汽蒸煮器,這是一個嚴密封蓋的容器,裡面會產生高壓氣體。帕潘後來對他發明的蒸煮器做了改進,加裝了放氣閥門,避免爆炸。帕潘觀察到了閥門的周期性的運動,構想出活塞和汽缸蒸汽機,但是他沒有去實現自己的想法。1697年,工程師托馬斯·薩弗里在帕潘的設計的基礎上,發明了第一個蒸汽機。隨後,1712年,湯瑪斯·紐科門也發明了一種蒸汽機。這些早期的蒸汽機非常粗糙,效率很低,但吸引了當時頂尖的科學家的注意。

視頻

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參考文獻

  1. 熱力學定律,個人圖書館,2018-01-11
  2. 三百六十年前的科普 ——馬德堡半球實驗,科學網,2014-5-9