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熱力學三大定律

熱力學三大定律

在物理學上,能有多種形式,如熱能、動能、位能、電能等,這些形式的能是可以互相轉換的,例如高處的水流到低處時會有較快的速度,就是位能轉換成動能的現象。熱力學(thermodynamics)是專門討論各種形式的能相互轉換的學問,
其中有三大定律。


熱力學第一定律說
能在各種形式間轉換時其總量不變。

這個定律又稱為能量不滅定律。這裡仍用高處的水向低處流的例子來說明。
在高處原本靜止的水只有位能沒有動能,流向低處時因高度降低,在重力場中就失去了部分的位能,而失去的位能會全部轉換成動能,水因而產生相當的流速。
根據水失去的位能等於得到的動能,便可以算出(不計摩擦力時)水的流速。

熱力學第一定律不僅定出能量不滅的原則,還界定了轉換時量的關係。
這關係可演繹出許多計算公式,基本原則是各種能的形式轉變時,其變化量的和應為零。
流體力學就是根據這個原則,計算流體運動時流速、壓力和摩擦力的關係。
除了核子反應因為質和能的互變而有質量和能量的改變外,一切由於能的轉換而引起的變化都要遵守熱力學第一定律的規範。

熱力學第二定律規範熱和功的轉換。功(work)在物理學上的定義是:一物體受力而移動位置,位移乘上和位移同方向的分力就是功。
基本上功也是能的一種,對一物體做功就是將能傳給這物體。

人之所以為萬物之靈,就是因為能用工具做功,槓桿、刀斧、滑輪都是這一類的工具。
起初,這類工具的動力,是人本身的力氣或牛馬驢等獸力。
工業革命後,蒸汽機、內燃機的發明,使熱能成為動力的來源。熱使水氣化產生壓力推動蒸汽機;
汽油因燃燒,氣體體積急遽增大而產生高壓推動內燃機,都是把熱轉化成功的例子。
蒸汽機、內燃機和後來發展出來的氣渦輪機,都是把化學能轉化成熱能再轉化為功的機械。

更重要的,這些機械能在瞬時產生大量的功,單位時間內產生的功就是功率,產生的功率高才是這些機械威力強大的主要原因。
由於這些機械的使用,才造成十九世紀以來人類兩百年的工業文明。
既然熱功轉換是工業生產的原動力,工業技術也要受到熱力學第二定律的規範。

熱力學第二定律是
˙任何裝置都不能不間斷地把工作系統所吸收的熱能100%全部轉換為功。
˙熱能不會自動地從溫度較低的區域傳向溫度較高的區域。
熱能若要不間斷地轉換為功,必須是循環的程序,一個循環完成後,工作系統的溫度、壓力等狀態要恢復原狀,再進行下一個循環,使熱源源不斷地轉換為功。
根據熱力學第二定律的第一條,工作系統所吸收的熱,經過這樣的循環程序絕不可能 100% 完全轉換為功。
如燃料在內燃機中燃燒,瞬間產生大量的熱,使汽油與空氣變成高溫高壓的氣體推動活塞,使轉軸高速旋轉產生功,而所排出的尾氣溫度仍相當高,使得燃料燃燒產生的熱量,大部分被尾氣帶走了。

一般汽車引擎的熱功轉換效率並不高,汽油燃燒的熱大部分隨著排氣逸散到大氣中。
汽車汽缸排氣溫度如能降低,尾氣帶出的熱量也就減少,熱功轉換效率會提高。但若想把排氣溫度降低,則整個引擎系統要在低溫下操作,如此,因為瞬間爆發力不夠,功率會不足。

熱力學第二定律的第二條是根據熱一定要從高溫處流向低溫處的經驗所提出的。
若想讓熱反向從低溫處流向高溫處,必須有一工作系統做功。例如:炎熱的夏季希望室內保持涼爽,溫度較室外低,要使室內的熱流向室外,就必須裝一臺冷氣機。

自然界類似熱能由高溫處流向低溫處的現象很多。
如水自高處向低處流;物質自高濃度處向低濃度處擴散。
在熱力學中是用「系統隨機度(system randomness)」的觀念來討論這些現象。

一系統在平衡穩定狀態時,因為沒有任何干預或刻意的安排,隨機度最高。
當室內的熱量靠冷氣機的作用流向室外時,室內較室外涼爽,這樣的情況就是經刻意安排的,「系統隨機度」會降低。另外一例:將一粒鹽投入水中,鹽粒附近鹹度較其他部分高,水和鹽粒的「系統隨機度」就較低。
攪拌後,鹽溶解並均勻分布在水中,各部分水的鹹度變得都一樣,這時「系統隨機度」較高。

依此類推,物質在氣態時分子運動較不受拘束,隨機度高,在液態時隨機度就低些,固態則最低。結晶性固體中原子排列整齊,隨機度又較非結晶性固體低。
結晶性固體若降低其溫度,會因原子或分子的振動減弱而隨機度又降低。這觀念推到極致,用量化的說法:

任何結晶性物體在絕對零度時的隨機度應為零。
這句話就是熱力學第三定律。用通俗的說法:任何自發性的變化都使系統的隨機度增加。
這個定律規範了任何自發的變化程序均趨向平衡穩定狀態,使系統隨機度變高。
根據第三定律還可以計算系統趨向平衡時的能量變化。

以上只概念性地介紹熱力學三大定律,這三大定律是根據已知的自然現象歸納而得。
在熱力學裡,根據這三大定律演繹出許多公式,可以計算能和功轉換時量的關係。

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