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中央研究院物理所中央研究院物理所高中物理科學培育計畫高中物理科學培育計畫熱力學原理熱力學原理李大興李大興國立東華大學物理系國立東華大學物理系國立東華大學物理系國立東華大學物理系18 June 18 June National Dong Hwa UniversityNational Dong Hwa UniversityNational Dong Hwa UniversityNational Dong Hwa UniversityDepartment of PhysicsDepartment of PhysicsDepartment of PhysicsDepartment of Physics第1页 內內 容容 大大 綱綱熱力學定義熱力學定義熱力學四大定律熱力學四大定律l第零定律：定義溫度第零定律：定義溫度l第一定律：能量守恆定律第一定律：能量守恆定律l第二定律：熵總是增加（時間為什麼只有第二定律：熵總是增加（時間為什麼只有 一個方向一個方向?)l氣體分子運動論氣體分子運動論l第三定律：絕對溫度為零時，熵為零第三定律：絕對溫度為零時，熵為零第2页參考資料參考資料物理史物理學發展史上里程碑，物理史物理學發展史上里程碑，主編馬文蔚，唐玄之，周永平主編馬文蔚，唐玄之，周永平 編者宋玉亭等人編者宋玉亭等人物理內容物理內容1.普通物理普通物理Halliday，Resnick 等人等人 2.費因曼講義費因曼講義第3页熱力學定義熱力學定義熱力學主要了解巨熱力學主要了解巨觀物質系統觀物質系統熱平衡熱平衡性質性質(比如氣體、壓比如氣體、壓力、體積、及溫度力、體積、及溫度之間關係之間關係)，以及巨，以及巨觀物質能量因觀物質能量因 外外界原因界原因(功和熱功和熱)而而改變定律。改變定律。第4页熱力學與其它物理學之關係熱力學與其它物理學之關係熱力學熱力學熱力學熱力學1919世紀中世紀中世紀中世紀中熱熱熱熱=能量能量能量能量牛頓力學牛頓力學牛頓力學牛頓力學1717世紀世紀世紀世紀氣體分子運動論氣體分子運動論氣體分子運動論氣體分子運動論統計物理學統計物理學統計物理學統計物理學電磁理論電磁理論電磁理論電磁理論1919世紀中世紀中世紀中世紀中電磁互感電磁互感電磁互感電磁互感相對論相對論相對論相對論2020世紀初世紀初世紀初世紀初質量質量質量質量=能量能量能量能量量子論量子論量子論量子論2020世紀初世紀初世紀初世紀初粒子波雙重性粒子波雙重性粒子波雙重性粒子波雙重性第5页熱力學與牛頓力學關係熱力學與牛頓力學關係熱力學熱力學熱力學熱力學1919世紀中到世紀中到世紀中到世紀中到1919世紀世紀世紀世紀7070年代末年代末年代末年代末 多體物理多體物理多體物理多體物理集體運動定律集體運動定律集體運動定律集體運動定律熱力學四大定律熱力學四大定律熱力學四大定律熱力學四大定律牛頓力學牛頓力學牛頓力學牛頓力學1717世紀世紀世紀世紀單質點或少數質點單質點或少數質點單質點或少數質點單質點或少數質點運動定律運動定律運動定律運動定律牛頓力學三大定律牛頓力學三大定律牛頓力學三大定律牛頓力學三大定律氣體分子運動論氣體分子運動論氣體分子運動論氣體分子運動論統計物理學統計物理學統計物理學統計物理學第6页 熱力學與牛頓力學物理熱力學與牛頓力學物理時間反轉對稱時間反轉對稱時間反轉對稱時間反轉對稱可逆過程可逆過程可逆過程可逆過程自由膨脹自由膨脹自由膨脹自由膨脹不可逆過程不可逆過程不可逆過程不可逆過程熱力學系統熱力學系統牛頓力學系統牛頓力學系統第7页熱力學第零定律熱力學第零定律AB當不一样冷熱當不一样冷熱A與與B物質，相互接觸時，能物質，相互接觸時，能允許熱傳遞，經過一段時間之後，允許熱傳遞，經過一段時間之後，A與與B可可含有相同冷熱程度含有相同冷熱程度由此可定義由此可定義:與物質本身性質無關物與物質本身性質無關物理量理量:溫度溫度，來量化物，來量化物質本身冷熱程度質本身冷熱程度第8页溫度計及溫度尺度溫度計及溫度尺度等容氣體溫度計等容氣體溫度計等容氣體溫度計等容氣體溫度計第9页熱平衡熱平衡熱平衡是一大尺度現象熱平衡是一大尺度現象。時間及空間尺度時間及空間尺度，從氣體分子來看都是從氣體分子來看都是巨觀尺度巨觀尺度。也就是說也就是說，系統尺度遠大於系統尺度遠大於分子分子平均自由距離平均自由距離-分子在兩次碰撞分子在兩次碰撞間自由飛行距離間自由飛行距離，及觀測時間遠大於分及觀測時間遠大於分子子平均自由時間平均自由時間在大尺度觀測時在大尺度觀測時，系統熱平衡可測量到系統熱平衡可測量到穩定溫度穩定溫度，此乃平均效應結果此乃平均效應結果第10页熱力學第一定律熱力學第一定律焦耳熱功當量測定焦耳熱功當量測定l焦耳關於熱功量測定，是建立能量守恆焦耳關於熱功量測定，是建立能量守恆定律實驗基礎。定律實驗基礎。焦耳焦耳James Prescott Joule,1818-1889熱熱=能量能量第11页能量守恆概念能量守恆概念亥姆霍茲原亥姆霍茲原為生理學家，為生理學家，後成為著名數學和物理後成為著名數學和物理學家學家他將能量形成及守恆概他將能量形成及守恆概念作了一次整合。念作了一次整合。亥姆霍茲亥姆霍茲Hermann von Helmholtz，18211894第12页熱力學第一定律熱力學第一定律引進物理量內能引進物理量內能U，把能量，把能量守恆和轉化定律表述成熟熱守恆和轉化定律表述成熟熱力學第一定律力學第一定律克勞修斯克勞修斯Rudolf Clausius，1822-1888系統熱量增量系統熱量增量系統熱量增量系統熱量增量系統內能增加系統對外作功系統內能增加系統對外作功系統內能增加系統對外作功系統內能增加系統對外作功第13页理想氣體理想氣體理想氣體理想氣體(氣體分子間相互作用力可忽略氣體分子間相互作用力可忽略氣體分子間相互作用力可忽略氣體分子間相互作用力可忽略)：氣體：氣體：氣體：氣體狀態滿足狀態滿足狀態滿足狀態滿足絕熱過程絕熱過程減少下壓氣體重量減少下壓氣體重量減少下壓氣體重量減少下壓氣體重量氣體體積增氣體體積增氣體體積增氣體體積增加加加加,氣體對外界做正功氣體對外界做正功氣體對外界做正功氣體對外界做正功 氣體氣體氣體氣體溫度下降溫度下降溫度下降溫度下降內能內能內能內能減少減少減少減少絕熱過程絕熱過程絕熱過程絕熱過程氣體內能只和熱平衡溫度有關氣體內能只和熱平衡溫度有關氣體內能只和熱平衡溫度有關氣體內能只和熱平衡溫度有關(氣體分力運動論氣體分力運動論氣體分力運動論氣體分力運動論)第14页等溫膨脹等溫膨脹減少下壓體積重量減少下壓體積重量減少下壓體積重量減少下壓體積重量氣體體積增加氣體體積增加氣體體積增加氣體體積增加,氣體對外做正功氣體對外做正功氣體對外做正功氣體對外做正功 氣體溫度下降氣體溫度下降氣體溫度下降氣體溫度下降熱源提供熱量保持氣體溫度不變熱源提供熱量保持氣體溫度不變熱源提供熱量保持氣體溫度不變熱源提供熱量保持氣體溫度不變第15页絕熱自由膨脹絕熱自由膨脹氣體對外界不做功，無能量氣體對外界不做功，無能量氣體對外界不做功，無能量氣體對外界不做功，無能量交換，氣體內能不變交換，氣體內能不變交換，氣體內能不變交換，氣體內能不變 溫度不變溫度不變溫度不變溫度不變第16页熱力學第二定律熱力學第二定律從單一熱源吸收熱量不可能從單一熱源吸收熱量不可能使之完全變為有用功使之完全變為有用功開爾文開爾文Baron Kelvin，1824-1907第17页熱力學第二定律熱力學第二定律克勞修斯克勞修斯l熱不可能自動地從一個較冷物體傳向較熱不可能自動地從一個較冷物體傳向較熱物體熱物體第18页卡諾循環卡諾循環卡諾熱卡諾熱機機卡諾卡諾卡諾卡諾Sadi CarnotSadi Carnot，1796-18321796-1832第19页卡諾熱機卡諾熱機a a b b(等温膨脹等温膨脹等温膨脹等温膨脹)固定固定固定固定b b c c(絕熱膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹)c c d(d(等溫壓縮等溫壓縮等溫壓縮等溫壓縮)固定固定固定固定d d a a(絕熱壓縮絕熱壓縮絕熱壓縮絕熱壓縮)第20页根據熱力學第二定律，熱機效率根據熱力學第二定律，熱機效率根據熱力學第二定律，熱機效率根據熱力學第二定律，熱機效率 沒有永動機存在沒有永動機存在沒有永動機存在沒有永動機存在尋找一個物理量來判斷熱力學過程是否尋找一個物理量來判斷熱力學過程是否尋找一個物理量來判斷熱力學過程是否尋找一個物理量來判斷熱力學過程是否能够自然發生能够自然發生能够自然發生能够自然發生:克勞修斯提出了克勞修斯提出了克勞修斯提出了克勞修斯提出了-熵概念熵概念熵概念熵概念熵概念熵概念第21页a a b(b(等溫膨脹等溫膨脹等溫膨脹等溫膨脹)b b c(c(絕熱膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹絕熱膨脹)c c d (d (等溫壓縮等溫壓縮等溫壓縮等溫壓縮)d d a(a(絕熱壓縮絕熱壓縮絕熱壓縮絕熱壓縮)卡諾熱機熵計算卡諾熱機熵計算第22页=熵為狀態函數與過程進行方式無關。熵為狀態函數與過程進行方式無關。熵為狀態函數與過程進行方式無關。熵為狀態函數與過程進行方式無關。獨立系統可自然發生過程，其獨立系統可自然發生過程，其獨立系統可自然發生過程，其獨立系統可自然發生過程，其卡諾熱機卡諾熱機卡諾熱機卡諾熱機第23页永動機不存在永動機不存在永動機不存在永動機不存在獨立系統可自然發生過程獨立系統可自然發生過程,其其正逆過程均可發生正逆過程均可發生正逆過程均可發生正逆過程均可發生可逆過程可逆過程可逆過程可逆過程永動機永動機永動機永動機絕對溫標存在絕對溫標存在絕對溫標存在絕對溫標存在對於任何熱機對於任何熱機對於任何熱機對於任何熱機(經過可逆過程將熱量從熱源流出，一部經過可逆過程將熱量從熱源流出，一部經過可逆過程將熱量從熱源流出，一部經過可逆過程將熱量從熱源流出，一部份轉成功，另一部份傳送到冷源份轉成功，另一部份傳送到冷源份轉成功，另一部份傳送到冷源份轉成功，另一部份傳送到冷源)均滿足均滿足均滿足均滿足因為因為 可定義和任何特別物質物理性質完全無關溫度單位，稱之為絕對溫可定義和任何特別物質物理性質完全無關溫度單位，稱之為絕對溫可定義和任何特別物質物理性質完全無關溫度單位，稱之為絕對溫可定義和任何特別物質物理性質完全無關溫度單位，稱之為絕對溫標標標標1 1熱量單位可增加熱量單位可增加熱量單位可增加熱量單位可增加1 1度值絕對溫標。當系統無熱能情形下，系統度值絕對溫標。當系統無熱能情形下，系統度值絕對溫標。當系統無熱能情形下，系統度值絕對溫標。當系統無熱能情形下，系統在絕對零度。在絕對零度。在絕對零度。在絕對零度。第24页卡諾熱機為最有效率之熱機卡諾熱機為最有效率之熱機假設有一熱機比卡諾機更有效率也就是假設有一熱機比卡諾機更有效率也就是(不存在不存在不存在不存在)第25页問題與討論問題與討論第26页
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