1. 熱力學 The Laws of Thermodynamics

2. 一、熱力學發展史
人類很早就對熱有所認識，並加以應用。但是將熱力學當成一門科學且有定量的研究，則是由17世紀末開始的，也就是在溫度計製造的技術成熟以後，才真正開啟了對熱力學的研究。
熱力學發展史，基本上就是熱力學與統計力學的發展史，約可分成四個階段：

3. 第一個階段：17世紀末到19世紀中葉
此時期累積了大量的實驗與觀察的結果，並製造出蒸氣機，對於"熱(Heat)"的本質展開研究與爭論，為熱力學的理論建立作好了暖身。在19世紀前半葉，首先出現了卡諾理論，熱機理論(第二定律的前身)和功熱互換的原理(第一定律的基礎)。這一階段的熱力學還留在描述熱力學的現象上，並未引進任何的數學算式。

4. 第二個階段：19世紀中到19世紀70年代末
此階段熱力學的第一定律和第二定律已完全理論化。由於功熱互換原理建立了熱力學第一定律，由第一定律和卡諾理論的結合，導致熱力學第二定律的成熟。另一方面，以牛頓力學為基礎的氣體動力論也開始發展，但這期人們並不了解熱力學與氣體動力論之間的關連。

5. 第三個階段：19世紀70年末到20世紀初
這個時間內，首先由波茲曼將熱力學與分子動力學的理論結合，而導致統計熱力學的誕生，同時他也提出非平衡態的理論基礎，至20世紀初吉布斯(Gibbs)提出系綜理論建立統計力學的基礎。

6. 第四個階段：20世紀30年代到今
主要是量子力學的引進而建立了量力統計力學，同時非平衡態理論更進一步的發展，形成了近代理論與實驗物理學中最重要的一環。

7. 二、溫標
熱(heat):Heat is the energy transferred between objects because of a temperature difference.
常用的溫度標度:
攝氏溫標(The Celsius Scale)以° C表示
華氏溫標(The Fahrenheit Scale)以° F表示
凱氏溫標(The Kelvin Scale)以K表示

8. 攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標之關係 三個的關係式為: TF = (9/5F°/C°)TC + 32° F
TC = (5/9C°/ F°)( TF - 32° F)
K = TC

9. 熱平衡與絕對零度 熱平衡(Thermal equilibrium): 在物體間沒有熱的交換就稱他們處於熱平衡狀態。
絕對零度(Absolute Zero):
實驗證明某一個最低溫度無法再將一個物體繼續冷卻，稱為絕對零度也就是0K。

10. 三、熱膨脹 大部分的物體遇到熱之後都會膨脹，熱膨脹也是製作溫度計的基礎。 線膨脹:當一物體長度L0，溫度改變了ΔT，則長度增加了ΔL
ΔL = αL0ΔT (α為線膨脹係數)
體膨脹:當一物體體積V，溫度改變了ΔT，則體積增加了ΔV
ΔV = βVΔT (β為體膨脹係數)

11. 線膨脹和體膨脹係數的關係
線膨脹和體膨脹係數的關係為 β = 3α
※水大約在4° C的時候密度最大，當溫度上升或下降的時候密度變小。

12. 四、熱的傳播方式 熱從高溫物體傳到低溫物體，通常有3種傳播方式:傳導、對流、輻射。 傳播方式 傳 遞 方 式 介 質 傳導 介質本身不移動
主要為固體 對流
介質本身帶著熱流動
主要為流體(液體、氣體) 輻射
不需要介質
以電磁波的方式直接傳遞

13. 傳導(conduction) 1.熱經物質，從高溫傳到低溫，而作為媒介的物質本身卻不發生移動的現象，稱為傳導。
2.微觀分析：物體中溫度較高的部分，分子振動較活躍，這些分子可以把能量傳給鄰近較不活躍的分子，使得鄰近分子也變得更活躍，因而該處的溫度也隨著高起來，熱也因而從高溫處傳到低溫處。

14. 3.高低溫差越大，熱傳導也越快速。
4.影響熱傳導之因素有：物質本性(熱導係數) 、傳導物體之截面積、傳導之距離、傳導物體兩端之溫差、傳導的時間。

15. 5.根據物質對熱的傳導能力不同，可將物質分為「熱良導體」與「熱不良導體(熱絕緣體)」兩種。
熱良導體：所有的金屬都是熱的良導體。因為金屬內有許多自由移動的電子，這些電子受熱時，速度變得很快，因此金屬就經由電子傳遞能量，故導熱能力遠優於非金屬物質。其中以銀的傳導性最佳。
熱不良導體：大部分的液體、所有的氣體、石棉、保利龍、塑膠、木頭、玻璃等。

16. 6.氣體的熱傳導能力很低，可說是很好的熱絕緣體。
用棉花、羊毛等製成的衣物或被蓋，較其它的織品保暖，是因為它們的纖維間可以容納較多量的空氣，使得熱量不易從身體傳導到外界。
有些西式房子在屋頂加蓋閣樓，閣樓裡的空氣使得熱不易傳入也不易傳出，故閣樓下的房子可保持冬暖夏涼。
冰箱外殼中，有一層以發泡物質為主的絕熱材料，其原理也是利用泡孔內容納的氣體，提供了良好的絕熱效果。

17. 7.太空梭梭體表面黏貼的特殊隔熱磚，熱傳導能力非常低，是一種極佳的熱絕緣材料。當太空梭進出大氣層時，因與空氣摩擦產生高溫，隔熱磚的絕熱作用可保護太空梭不致因高溫而受損。

18. 對流(convention)
1.液體或氣體受熱後，溫度升高，體積膨脹使密度變小而上升，其他溫度較低的液體或氣體，則因密度較大而下沉，形成所謂的對流。
2.當液體發生對流時，熱量便隨著流動而傳播。
煮開水的時候，雖然只在壺底加熱，但是很快地整壺水都會變熱。
冷氣機通常都裝在室內較高的地方，而壁爐則都裝設在較低的地方，都是考慮到室內空氣的對流作用。

19. 3.自然界的對流現象：
大型鳥類通常要靠上升的熱氣流來滑翔飛行，以節省體力，使自己能久留高空，伺機補捉獵物。
海風與陸風：
A.海風：白天在太陽照射下，陸地吸熱快(因比熱較小)，陸地上的溫度高於海上的溫度，接近陸地上的熱空氣上升，使得海面上的冷空氣流向陸地，形成海風。
B.陸風：晚上因陸地散熱快，造成海面上的空氣溫度比陸地上高，因此陸地上的冷空氣吹向海洋，形成陸風。

20. 4.強迫對流：透過外力的驅動，使液體或氣體流動，而達到熱傳導的效果，稱為強迫對流。
汽車引擎或大型中央空調系統產生的熱，大多用水來冷卻，受熱後的水由馬達送至散熱器將熱排出，冷卻後的水被迫循環流回。
冷氣機內部的風扇裝置，強迫與外界的空氣對流，造成冷房的效果。

21. 輻射(radiation)
1.熱輻射是電磁波的一種，屬於紅外線範圍。當這些電磁波被物體吸收後，物體便因此獲得熱能。即熱的輻射是以電磁波的方式來傳播能量，不需要依靠任何介質。
2.只要物體有溫度(相對於絕對零度)，其表面都會不斷的輻射出熱能，也同時吸收周遭的熱輻射。
若物體表面輻射出的熱能較吸收的少，則物體的溫度降低；反之則溫度升高。

22. 物體表面在單位時間內所輻射出的熱能，和其表面溫度及面積有關。溫度越高、表面積越大，則所輻射出的熱能也越多。
當物體在單位時間內所輻射出的熱能與吸收的熱能相等時，物體的溫度就不會改變，即物體與外界達到熱平衡。
3.物體表面的輻射除了與溫度有關外，也和其表面的性質有關。
深色的物體比較容易吸收及發出熱輻射。
表面粗糙的物體比較容易吸收及發出熱輻射。

23. 4.應用：
冰箱後面的散熱器都是黑色的，目的就是使熱輻射的效果更佳。
太空人的太空衣和救火用的隔熱衣，表面都很光亮，可減少熱的吸收和輻射。
儲油槽、輸油管的表面都漆成銀白色，目的在減少輻射的吸收，以免油槽溫度過高而發生危險。
不鏽鋼熱水壺，其內表面均磨得十分光亮，目的在於減少輻射以保持熱水的溫度。

24. 五、熱力學定律 1.熱力學第零定律(The Zeroth Law of Thermodynamics)
假如物體A和物體C處於熱平衡，物體B和物體C也處於熱平衡，則物體A和物體B也會處於熱平衡。

25. 2.熱力學第一定律(The First Law of Thermodynamics)
能量在轉移過程中不會無緣無故的增加或消失，只是以不同的形式存在，當有熱能（ΔQ）由於溫差的原因，由外界傳入一物體，通常會有溫度升高（粒子平均動能增加）且體積膨脹（對外界做功ΔW）的情形。我們把物體內所有粒子的總機械能稱為該物體的內能（ΔU），則由能量守恒可得： ΔQ =ΔU + ΔW 即 系統吸收的熱能＝系統內能增加量＋系統對外做功值
此即熱力學第一定律。ΔQ若是負值表示系統放出熱能；ΔW若是負值表示系統被做功；ΔU若是負值表示系統內能減少。

26. 3.熱力學第二定律(The Second Law of thermodynamics)
在自然界的過程，熱能只會從較高溫處，往較低溫處傳遞。
卡諾循環: 結構最簡單的熱機至少有一個高溫熱源和一個低溫熱源，因此這個熱機必然是由兩個等溫過程（當工質與兩個熱源分別接觸時）和兩個絕熱過程（當工質與熱源脫離時）所組成的一個循環，這就是所謂“卡諾熱機”，這種熱機的循環可以順序進行，也可以逆序進行。當嚴格地按照相反的順序實現了原過程中的各項操作之後，系統和外界都恢復原狀，這樣的理想循環是可逆的，此即“卡諾循環”。

27. 法國工程師卡諾於1824年提出的基本熱力學循環,用以解釋蒸汽機的工作原理.
卡諾循環包括四個階段:
(1)等溫膨脹:負荷活塞在住滿理想氣體的汽缸內運動,連續量測氣體的壓力,溫度和體積.在恆定溫度下加熱,使氣體膨脹,氣壓降低,活塞抬升.
(2)絕熱膨脹:停止加熱,但繼續膨脹,抬升活塞的同時,溫度和壓力都下降.
(3)等溫壓縮:在恆定溫度下,利用適當散熱方式將熱釋放,體積減小,活塞向下運動,氣體壓力增加.
(4)絕熱壓縮:停止釋放熱量,壓力和溫度增加,體積減小,活塞繼續向下運動,直到開始下一循環.

28. 4.熱力學第三定律(The Third Law of Thermodynamics)
不可能有比絕對零度更低的溫度，而且絕對零度是無法到達的。把一個物體冷卻到極接近絕對零度是有可能的，目前能到達的溫度是2*10-8K。