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第12章 熱學 12-2 熱的本質與熱功當量 12-3 熱容量與比熱 12-4 熱膨脹 12-5 物質的三態變化與潛熱 12-1 溫度與熱平衡 12-1 溫度與熱平衡 (1/5) 熱平衡 和外界隔離的兩個物體互相接觸(熱接觸)，經過一段 時間後，兩物體的宏觀物理量(壓力、體積...)將不再 變化，這時我們說這兩物體達到「熱平衡」狀態。 熱力學第零定律 若A和B兩物體分別與C物體處於 熱平衡狀態，則A物體與B物體之間 也會處於熱平衡狀態，稱之為 「熱力學第零定律」。 X-0 Y oF X oC 100-0 Y-32 212-32 ──── = ──── 32 oF 212 oF 0 oC 100 oC 攝氏溫標 華氏溫標 水沸騰 水結冰 根據線段比例可知 12-1 溫度與熱平衡 (2/5) 攝氏、華氏溫標換算 Y(oF)= X(oC)+32 5 9 例題12-1 例題12-2 12-1 溫度與熱平衡 (3/5) 定容氣體溫度計 壓力p 溫度t 定量的低密度氣體，若體積不變，則壓力與攝氏溫度 成線性關係。 -273.15 [註]：-273.15oC是理論中的最低溫度，克耳文 建議將此溫度定為0 K，此為絕對溫標。 12-1 溫度與熱平衡 (4/5) 絕對溫標與攝氏溫標換算 絕對溫度T (K)=攝氏溫度t (oC)+273.15 12-1 溫度與熱平衡 (5/5) 定容的查理－給呂薩克定律 密閉容器中的低密度氣體，若氣體體積維持不變， 其壓力與克氏溫度成正比。 [說明]：若定容氣體溫度計置於 水的三相點時，顯示的壓力 為p3，而置於待測溫度的 系統中時，顯示的壓力為 p，則待測溫度 T = 273.16 × p3 p 例題12-3 12-2 熱的本質與熱功當量 (1/4) 「布爾哈夫疑難」： (1)等質量的冷熱水混合後，其末溫是冷熱水溫度的平均 值，但對於不同物質混合後的末溫卻非平均值。 (2)等體積的冷熱水混合後，其末溫是冷熱水溫度的平均 值，但對於不同物質混合後的末溫卻非平均值。 [說明]：布萊克認為，不同物質作相同溫度變化時， 會吸收或釋放不同量的熱，並以此解釋 布爾哈夫疑難。 12-2 熱的本質與熱功當量 (2/4) 「熱質說」 v.s. 「熱動說」 熱是無色、無味、又沒有質量的流質，稱為「熱質」。 熱質不能產生，也不能消失，總量維持守恆。有一處 熱質增加時，溫度會升高，而另一處的熱質便會減少， 使溫度降低。 (1)熱質說： (2)熱動說： 熱是組成物質的微小粒子的運動表現，它可由物體 的力學運動轉化而來。 12-2 熱的本質與熱功當量 (3/4) 焦耳的「熱功當量」實驗 (2)熱功當量代表熱量單位(cal)和 能量(J)單位之間關係：1卡 = 4.1868焦耳。 (1)本實驗顯示熱可以由位能或動能轉換 而得，因此熱是能量的一種形式。 12-2 熱的本質與熱功當量 (4/4) 熱力學第一定律 DU = DW + DQ 熱 功 內能 [註]：系統內能包括分子的動能和位能。 12-3 熱容量與比熱 (1/2) 熱容量 (1)定義： 物體每升高或降低1oC時，所吸收或放出的熱量。 ? C = DQ Dt (2)單位： cal/oC 12-3 熱容量與比熱 (2/2) 比熱 (1)定義： 單位質量的熱容量。 ? s = DQ mDt (3)單位： cal/g· oC ? DQ = msDt (2)熱容量與比熱的關係： C = ms 例題12-4 例題12-5 12-4 熱膨脹 (1/5) 線膨脹 [問題]：為什麼大多數物體具有熱脹冷縮的現象？ DL=aLoDt ? L=Lo +DL=Lo (1+aDt) [說明]：a 稱為線膨脹係數 ，單位為 oC－1 。 12-4 熱膨脹 (2/5) 常見物質在室溫 25oC 時的線膨脹係數 物 質 線膨脹係數(10-6 oC－1) 物 質 線膨脹係數(10-6 oC－1) 鋁 23.1 金 14.2 鐵 11.8 鋅 30.2 銅 16.5 錫 22.0 銀 18.9 鎳 13.4 鉛 28.9 鋼 11.0 普通玻璃 9.0 耐熱玻璃 1.2 低膨玻璃 0.7 合成石英 0.5 例題12-6 例題12-7 12-4 熱膨脹 (3/5) 面膨脹 A=a?b=ao?bo(1+aDt)2 =Ao(1+aDt)2 ? A ? Ao (1+2aDt) = Ao (1+bDt) [說明]：b 稱為面膨脹係數，單位為 oC－1，b=2a 。 例題12-8 12-4 熱膨脹 (4/5