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熱力學是什麼？概念、歷史、術語和含義

2024-08-12百科108

熱力學（源自古希臘語θερμόςthermós，德語為“warm”，古希臘語為δύναμις dýnamis，德語為“force”）是一門自然科學和工程學紀律。

它起源於蒸汽機的研究，並探討了如何將熱量轉化為機械功的問題。為此，她描述了由足夠數量的粒子組成的系統及其基於宏觀狀態變數的狀態轉換，這些狀態變數代表了詳細的多體狀態的統計函數。

作為一門工程科學，它對於能量轉換的各種可能性非常重要，在過程工程中，它描述了過程中涉及的物質的特性和行為。創始人被認為是法國物理學家薩迪·卡諾（Sadi Carnot），他於1824年寫下了他的開創性著作。

熱力學的主要定律與經典力學中的牛頓公理或電動力學中的麥克斯韋方程相似，具有核心重要性。

第一定律指出，封閉系統中的總能量是恆定的。該定理也被稱為能量守恆定律，在整個物理學中都有效。
第二定律表達了自發能量轉換可能的方向。此外，能量形式的化合價是通過熵記錄的。例如，可以毫不費力地將機械能、電能或化學能幾乎完全轉化為熱能（熱能）。因此，機械能和電能幾乎是純粹的消耗。另一方面，在相反的方向上，現有的熱能只能部分地轉化為這些其他能量，並且只有付出大量的技術努力。

在熱力學中，有兩種不同的方法，它們的不同之處在於物質是否被視為可以隨意分割的連續體，或者它們是否被視為原子或分子等粒子的集合：

一方面，熱力學處理涉及熱量的各種過程，而沒有涉及所涉及物質的特殊特性。特別重要的是熱力學循環過程，該過程在技術中經常發生。另一方面，熱力學對物質的不同狀態及其變化（熔化、沸騰、蒸發等）進行了陳述。熱化學是熱力學的一個子領域。除其他事項外，還確定了化學反應過程中轉化的熱量（反應焓）。這裡轉換的熱能很大程度上取決於相應的物質。

含義

熱力學在自然科學中非常重要，因為能量也參與自然界中發生的所有過程。這也包括生物。它還提供了對物質性質的更深入的瞭解，這有助於理解物質的物理性質或物質狀態的變化，對於理解哪些化學反應可以發生和不能發生也很重要。在物理學中，還強調熱力學可以結合各種獨立開發的學科，例如經典力學或量子力學，這尤其得益於能量的普遍概念。

在工程中，熱力學對於許多機器或系統的設計、計算和分析非常重要。其中包括各種熱機（蒸汽機、燃氣或蒸汽輪機、柴油機）、工作機械（泵、壓縮機等）、空調和製冷技術、傳熱和傳質、工業爐、供應和處置技術或能源技術（發電廠）。

歷史

法國物理學家尼古拉斯·萊昂納德·薩迪·卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot）研究了蒸汽機的熱量（1824年）。他發現熱水蒸氣會加熱較冷的水庫，並且在此過程中會進行機械功。卡諾懷疑在這個過程中沒有熱量損失。卡諾將蒸汽機中的過程描述為循環過程，在後來的幾年中，埃米爾·克拉佩龍（Émile Clapeyron）以數學形式（卡諾的循環過程）表示。

1840年，瑞士-俄羅斯化學家赫爾曼·海因里希·赫斯（Hermann Heinrich Hess）發表了一篇題為《熱化學研究》的論文，該論文基於分子或原子中由於化學反應熱而產生能量守恆定理（今天在熱力學中稱為反應焓）。

德國醫生朱利葉斯·羅伯特·梅耶（Julius Robert Mayer）提出了論文（1841年），即能量應該是封閉系統中的恆定量。能量不能消失，只能轉化為另一種形式。這一發現被稱為能量守恆定律。梅耶爾計算了熱量轉化為機械能的能力。他指出了 1 克水的溫度升高 1 °C 對應多少能量，並計算出這個能量對應於可以將 1 克物質提升 367 米到空中（實際上是 426 米）的機械能。這些計算構成了熱力學第一定律的基礎。詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）在1844年更精確地確定了機械熱當量。

雖然卡諾仍然懷疑蒸汽機的熱量被完全保留，但梅耶爾認為能量的形式可以相互轉換。1854年，德國物理學家魯道夫·克勞修斯（Rudolf Clausius）將卡諾（Carnot）和梅耶（Mayer）的思想聯繫起來。他表明，當蒸汽機運行時，熱量總是從較熱的儲層流向較冷的儲層，因此卡諾的基本論點是正確的。然而，熱能並不像卡諾所假設的那樣保持恆定，而是部分轉化為機械功。克勞修斯發現，機器（蒸汽機）的熱能只能在一定程度上轉化為機械功;另一部分能量以熱量的形式釋放到環境中。克勞修斯的見解形成了熱力學第二定律：「沒有週期性工作的機器除了將熱量轉化為機械功之外什麼都不做。不能用於機械工作的熱量被釋放到環境中。克勞修斯將這種不可用的熱量與相應的溫度聯繫起來，形成了一個新的函數，即熵。所有自然能量轉換過程都包含一個不可逆的熵分量，其中未使用的熱量被釋放到環境中。熵意味著“向內轉動的能量，即不再能夠轉化或使用”。後來，玻爾茲曼將熵非常生動地理解為系統運動無序的量度。只有在封閉系統中，並且狀態發生可逆變化，初始狀態和最終狀態之間的熵差才會保持為零。

法國化學家馬塞林·貝特洛（Marcelin Berthelot）認為，在此過程中產生的熱量是化學反應的驅動力（1862年）。

赫爾曼·亥姆霍茲（Hermann Helmholtz）將電池的電能與化學能和熱能聯繫起來。在他的論文《力守恆》中，他獨立於梅耶爾發展了能量守恆定律。

在後來的幾年裡，亥姆霍茲處理了化學反應中的能量問題。亥姆霍茲同意貝特洛的觀點，即在許多化學轉化過程中會釋放熱量;然而，也有一些轉變產生了冷。亥姆霍茲在他的論文《化學過程的熱力學》中將材料轉化的能量分為自由能和束縛能。亥姆霍茲將內能和自由能與熵和溫度的乘積聯繫起來。根據亥姆霍茲的說法，只有當自由能減少時，材料轉換才有可能。美國物理化學家喬賽亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）在1875年至1878年間也幾乎同時對亥姆霍茲產生了類似的考慮。焓差減去熵差與溫度的乘積之間的關係稱為自由焓差。這種關係被稱為吉布斯-亥姆霍茲方程，以紀念這兩位科學家。通過這個方程式，化學家可以對分子的材料轉化做出陳述，並計算化學反應所需的溫度和濃度。

除了經典的熱力學外，還發展了動能氣體理論。氣體由粒子、原子或分子組成，它們在相對罕見的碰撞之間在空隙中自由移動。當溫度升高時，由於更頻繁和更猛烈的衝擊，顆粒移動得更快，並對容器壁施加更大的壓力。該理論的重要代表是奧古斯特·克羅尼希，魯道夫·克勞修斯，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和路德維希·玻爾茲曼。麥克斯韋和玻爾茲曼使用概率論在分子基礎上描述熱力學量。

1999 年，物理學家 Elliott Lieb 和 Jakob Yngvason 提出了一種公理化系統學，其中熵的定義基於絕熱可達性的概念，並基於 15 個公理形式的嚴格數學基礎。溫度只是從熵作為基本量得出的量。絕熱可達性的概念基於 Constantin Carathéodory 於 1909 年提出的公理論證。由於這個理論對結果沒有影響，它還沒有付諸實踐——而且只是在例外情況下。

熱力學中的重要術語

熱力學將系統邊界處的過程變數、熱量和功與描述系統狀態的狀態變數相關聯。

基於四個基本定律以及狀態變數之間特定於材料的經驗狀態方程（參見例如氣體定律），熱力學允許對系統進行哪些可能的變化（例如，哪些化學反應或相變可以發生，但不能如何發生）以及強度狀態變數的哪些值進行陳述為此是必要的。它用於計算釋放的熱能、壓力、溫度或體積變化，因此對於理解和規劃化工廠、熱機以及供暖和空調技術的過程非常重要。

為了簡明扼要地描述系統和性質，在熱力學中反覆使用某些術語和協定：

熱力學主要關注任何系統中包含的熵和熱能（熱能）。在絕緣系統中，溫度是它所包含的熱能的量度。
在熱力學中，能量被理解為兩部分的總和，即作用力和無能量，其中每部分份額可以為0。能量可以轉化為其他形式的能量（技術工作），即執行工作或轉化為能量。技術工作始終是純粹的消耗，因此是無熵的。Anergy 不能再轉化為其他形式的能量。
環境或環境條件可作為系統工作能力的參考。與環境不處於熱力學平衡狀態的系統仍然具有力學，而環境的能量是純粹的無能能。
狀態變數描述系統的屬性。

廣泛當系統被劃分時，內能U、熵 S、體積 V 和粒子數 N 等狀態變數會發生變化。
密集另一方面，溫度 T、壓力 p、濃度 n 和化學勢μ等狀態變數保持不變。

通過一個過程，系統從一種狀態移動到另一種狀態。例如，過程變數是提供的熱通量或耗散的功率。
如果狀態變數在狀態更改（過程）期間保持不變，則會用前綴 iso 進行標記。
常見的有：

等容（保持體積，如在等空間過程中），
等壓線（保持壓力，如在恆壓過程中），
等溫（保持溫度），
isenthalp（維持焓）或
等熵（保持熵，因此是可逆的）;等熵狀態變化是無摩擦和準靜態的。不要將 Isentrop 與各向同性混淆！

封閉式、封閉式和開放式系統：

封閉或隔離的系統不會與環境交換物質或能量。
閉畢竟，系統可以交換能量。
物質流和能量流都通過開放系統。

絕熱，工作密集或剛性和透熱性：

絕熱的工藝和容器是熱密的，但可以交換材料和工作力。
工作密度或剛性系統不與環境交換功（靜止流動過程中的推力功除外）。
Diatherm 系統僅將熱量傳遞到外部。

系統邊界或資產負債表殼是用於分析系統（物料流分析）的虛擬邊界。在平衡方程中，可以考慮系統邊界內狀態變數的變化
一個可逆的過程總是在isentop，該過程可以（理論上）在任何時候逆轉，而不會改變環境。可逆過程構成了可能/真實過程與違反自然法則的過程之間的理論邊界。可逆的狀態變化發生在恆定的熵下，但要做到這一點，該過程必須既準靜態又無摩擦。
理想氣體是高稀氣體的簡化模型，其中單個粒子之間幾乎沒有內聚效應，並且氣體原子或分子的固有體積可以忽略不計。
如果真正的氣體具有反轉溫度，則它在節流過程中會保持其溫度。低於逆溫溫度時，它會因節流而冷卻，高於該溫度時會升溫。理想氣體在節流期間保持其溫度。
循環過程迴圈運行，並始終將其工作材料恢復到原始狀態。左撇子循環過程消耗工作力（冷卻器、熱泵），右旋循環過程提供工作力（熱機）。
卡諾工藝是一種理想的迴圈工藝。由於熱量永遠無法完全轉化為技術功（消耗），因此卡諾過程的效率表明可以從熱量中獲得的最大功比例。
只有在三相點處，物質的固相、液相和氣相才能同時存在。由於三相點具有固定的壓力和溫度，因此三相點適合作為校準溫標的參考點。對於開爾文標度，使用水的三相點（0.01 °C）。
在臨界點，物質的分子在氣體中和在液體中一樣密集地堆積。臨界點由溫度、壓力和密度決定。超過其臨界溫度，氣體就不能再通過壓力液化。
流體可以是氣體或液體。特別是，當考慮物質在液態和氣態之間的轉化（相變）時，術語流體簡化了描述，因為它不限於一個相。

在熱力學公式中，某些字母被重複用於某些量。[注27]

大寫字母表示絕對數量，例如 V 表示體積 [m³]。
小寫字母表示特定量，例如 v 表示特定體積（密度的倒數，即與品質相關的體積，[m³/kg]）、品質流量 [kg/s] 或物品質 [m³/mol]。

熱力學或絕對溫度 T 以開爾文為單位測量（直到 1954 年：開爾文）。0 開爾文（-273.15 °C）不能通過熱力學方法（第三定律）實現。
內能與焓：

內能 U 是（僅）作為熱量存儲在系統中的能量。
焓 H（是希臘語 eta，而不是德語 H.）還包含以壓力×體積形式存儲的能量。

熵 S 是“無序”的度量（更準確地說，是從可觀察的宏觀狀態推斷出系統的實際微觀狀態所需的資訊量），同時也是狀態概率的度量。在封閉系統中，熵永遠不會減少。系統總是努力爭取自身盡可能高的熵（第二定律）。
體積變化功 w = ∫ p·dv 當體積逆著當前壓力變化時執行。一方面，這是壓縮流體的壓力和環境的壓力。
物質 n 的量是粒子數量的量度，以單位摩爾為單位。
熱容是指物質吸收熱能的能力。熱容量越大，當熱量被吸收或釋放時，溫度變化越小。