熱力學
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熱力學(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。它著重研究物質的平衡狀態以及與準平衡態的物理、化學過程。熱力學定義許多巨觀的物理量(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交互作用的位能是不同的,區分出熱與功的轉換。
- 熱力學第二定律涉及的物理量是溫度和熵。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。
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[1][2],另見「熱經濟學」。
熱力學是從18世紀末期發展起來的理論,主要是研究功與熱量之間的能量轉換;在此功定義為力與位移的內積;而熱則定義為在熱力系統邊界中,由溫度之差所造成的能量傳遞。兩者都不是存在於熱力系統內的性質,而是在熱力過程中所產生的。
熱力學的研究一開始是為了提昇蒸汽引擎的效率,早期尼古拉·卡諾有許多的貢獻,他認為若引擎效率提昇,法國有可能贏得拿破崙戰爭[3]。出生於愛爾蘭的英國科學家克耳文在1854年首次提出了熱力學明確的定義[4]:
“ | 熱力學是一門描述熱和物體中各部份之間作用力的關係,以及描述熱和電器之間關係的學科。 | ” |
一開始熱力學研究關注在熱機中工質(如蒸氣)的熱力學性質,後來延伸到化學過程中的能量轉移,例如在1840年科學家傑邁因·亨利·蓋斯提出,有關化學反應的能量轉移的研究[5]。化學熱力學中研究熵對化學反應的影響[6][7][8][9][10][11][12][6][13][14] 。統計熱力學也稱為統計力學,利用根據微觀粒子力學性質的統計學預測來解釋巨觀的熱力學性質。