熱學

溫度與熱平衡、熱的本質與熱功當量、熱容量與比熱、熱膨脹、物質的三態變化與潛熱

耗散

耗散 (Dissipation)
國立臺灣大學電信所電波組 林庭毅

一般大家提起耗散,最容易直接聯想到的是一個電器發熱然後發燙的樣子,因為我們通常會很直覺的認為熱是一種作功的表現,但我們又知道發燙並無助於我們正要一個電器為我們所做的事情,因此我們認為這就是耗散,然而這樣的認知當然太過狹隘,耗散並不是那麼簡單的一件事情,最重要的概念應該是,當輸入的能量中某些部分並不以我們期待的型式輸出,我們就稱它為耗散,像是風力發電機必定會有部分能量損耗在轉動的輪軸磨擦上,像是一個設計不良的微波電路會有輻射的效應去降低訊號處理的效果,或是單純的電阻發熱等許多例子。

熱量

熱量 (Heat)
國立臺灣大學化學系 葉德緯

當我們將一個高溫的物體和一個低溫的物體接觸的時候,可以觀察到高溫的物體溫度下降,而低溫的物體溫度上升,而造成這樣的現象的原因,就是因為有一個叫做「熱量 (Heat)」的物理量從高溫物體傳輸到低溫物體所造成。

凡得瓦方程式

凡得瓦方程式(Van der Waals equation)
國立臺灣大學化學系 101級 葉德緯

相信大家都對理想氣體方程式(ideal gas equation)再熟悉不過了,不論是高中物理或是化學課程都看得到它的蹤影:

\(PV = nRT\)

\(R\) 為理想氣體常數,\(R=8.3145~J/K\cdot mol\)。不過實際上,理想氣體方程式在使用上有不少的限制,例如其忽略了氣體分子間的作用力以及分子的大小等等,使得一般氣體必須在低壓高溫時才能比較接近理想氣體。在一般情況下比較符合理想氣體表現的典型有分子量很小的氫氣或氦氣,但是不少氣體的表現則偏離了理想氣體方程式的預測。

瓦特(Watt)

瓦特(Watt)
國立臺灣大學物理系李宛儒

瓦特(Watt)是功率的國際單位,是SI制中的一個導出單位(註一)。做功(work)的速率,也就是單位時間內的能量(energy)轉換量,稱為功率(power)。換句話說,功率是轉換能量與時間的比值。

能量是純量,因此由能量導出的功率也是純量。能量的國際單位是焦耳,瓦特的定義便是(焦耳/秒)。

「瓦特」是為了紀念改良蒸汽引擎效率,進而促成工業革命的英國工程師瓦特(James Watt, 1736-1819)而命名。1960年,被國際計量大會採用成為國際標準單位中的功率計量,簡寫為:\(W\)。

圖片24

瓦特改良的蒸汽機(圖片來源:維基百科)

面膨脹係數

面膨脹係數 (coefficient of area expansion)
國立臺灣師範大學附屬高級中學物理科李柏翰老師

一般而言,當物質受熱時,本身在熱脹冷縮效應作用之下,其物質本身的幾何特性,例如長度、面積或者是體積會隨著溫度的變化而發生變化。如果溫差改變不大,則一維的物體之長度增加的百分比會和溫差成正比,其比例係數稱為線膨脹係數,而所謂面膨脹係數是指:溫度增高時,面積增加量的百分比會和溫差成正比,如下圖1所示。

083

圖1$$~~~$$考慮二維的物體在受熱時,因為每邊的長度發生變化,而導致面積變化量 $$\Delta A=A_t-A_0$$ (作者提供)

線膨脹係數

線膨脹係數 (coefficient of linear expansion)
臺師大附中物理科李柏翰老師

一般而言,當物質受熱時,本身在熱脹冷縮效應作用之下,其物質本身的幾何特性,例如長度、面積或者是體積會隨著溫度的變化而發生變化。如果,溫差改變不大,則一維的物體之長度增加的百分比會和溫差成正比,其比例係數稱為線膨脹係數。

081

圖1$$~~~$$考慮一維的物體長度在受熱時,長度發生變化,長度變化量 $$\Delta L=L_t-L_0$$ (作者提供)

雷射冷卻

雷射冷卻 (Laser cooling)
臺中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

朱棣文(Steven Chu),美國華裔物理學家,1997年獲諾貝爾物理學獎,現任美國能源部部長。

在雷射冷卻(laser cooling)技術尚未發展出之前,僅能使用液態氦、液態氮等等的降溫技術,降低物質的溫度,這些技術不但耗時,效率也不高,然而在1986年,前中央研究院(簡稱中研院)的院士朱棣文等人研發了雷射冷卻技術,其可在室溫之下,將少量原子(約106~ 108個)的溫度,快速的降到10-6K,早期的技術只能降到10-3K左右,相較之下,雷射冷卻比起其他技術擁有更高的效率,並且使原子達到前所未有的低溫,因此替低溫原子的領域開起了一道大門,1997年,朱棣文和其研究夥伴共同獲得了諾貝爾物理獎。

沸騰(Boiling)

沸騰(Boiling)
臺中國立新港藝術高級中學物理科羅伊君老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

物質從液態轉變為氣態的兩種相變方式為蒸發(evaporation)及沸騰(boiling)。沸騰與蒸發的不同有:
(1)沸騰是一種劇烈的轉變,蒸發則是一種和緩的相變。
(2)沸騰是液體表面和內部同時發生劇烈的汽化,而蒸發則發生在液體表面。
(3)沸騰發生在一定的溫度下(沸點),蒸發現象存在於任何溫度下。

定壓莫耳比熱〈Constant-pressure processes molar specific heat〉

定壓莫耳比熱〈Constant-pressure processes molar specific heat〉
臺中國立新港藝術高級中學物理科羅伊君老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

在「定容莫耳比熱」的討論中,已知 $$n$$ 莫耳的單原子理想氣體內能為 $$E_{int}=\frac{3}{2}nRT$$($$R$$ 為理想氣體常數,$$T$$ 為絕對溫度)。

定容莫耳比熱〈Constant-volume processes molar specific heat〉

定容莫耳比熱〈Constant-volume processes molar specific heat〉
臺中國立新港藝術高級中學物理科羅伊君老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

熱學系統的內能為內部各分子的移動動能、轉動動能、振動動能和分子之間的位能總和,但因為單一原子(如:氦)沒有轉動動能,且我們假定的理想氣體分子數目非常多,分子之間的距離甚遠,分子之間的交互作用力可以忽略,因此可忽略分子間位能,所以理想氣體的內能僅為所有分子的移動動能,也就是質心動能,

Pages