热力学
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热力学(法语:thermodynamique,德语:Thermodynamik,英语:thermodynamics,源于古希腊语θερμός及δύναμις),是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科。它着重研究物质的平衡状态以及与准平衡态的物理、化学过程。热力学定义许多宏观的物理量(像温度、内能、熵、压强等),描述各物理量之间的关系。热力学描述数量非常多的微观粒子的平均行为,其定律可以用统计力学推导而得。
热力学可以总结为四条定律:
- 热力学第零定律定义了温度这一物理量,指出了相互接触的两个系统,热流的方向。
- 热力学第一定律指出内能这一物理量的存在,并且与系统整体运动的动能和系统与环境相互作用的势能是不同的,区分出热与功的转换。
- 热力学第二定律涉及的物理量是温度和熵。熵是研究不可逆过程引入的物理量,表征系统透过热力学过程向外界最多可以做多少热力学功。
- 热力学第三定律认为,不可能透过有限过程使系统冷却到绝对零度。
热力学可以应用在许多科学及工程的领域中,例如:引擎、相变化、化学反应、输运现象甚至是黑洞。热力学计算的结果不但对物理的其他领域很重要,对航空工程、航海工程、车辆工程、机械工程、细胞生物学、生物医学工程、化学、化学工程及材料科学等科学技术领域也很重要,甚至也可以应用在经济学中[1][2],另见“热经济学”。
热力学是从18世纪末期发展起来的理论,主要是研究功与热量之间的能量转换;在此功定义为力与位移的内积;而热则定义为在热力系统边界中,由温度之差所造成的能量传递。两者都不是存在于热力系统内的性质,而是在热力过程中所产生的。
热力学的研究一开始是为了提升蒸汽引擎的效率,早期尼古拉·卡诺有许多的贡献,他认为若引擎效率提升,法国有可能赢得拿破仑战争[3]。出生于爱尔兰的英国科学家开尔文在1854年首次提出了热力学明确的定义[4]:
“ | 热力学是一门描述热和物体中各部分之间作用力的关系,以及描述热和电器之间关系的学科。 | ” |
一开始热力学研究关注在热机中工质(如蒸气)的热力学性质,后来延伸到化学过程中的能量转移,例如在1840年科学家杰迈因·亨利·盖斯提出,有关化学反应的能量转移的研究[5]。化学热力学中研究熵对化学反应的影响[6][7][8][9][10][11][12][6][13][14] 。统计热力学也称为统计力学,利用根据微观粒子力学性质的统计学预测来解释宏观的热力学性质。