CH18熱力學第一定律

在物理SI單位裡，是以絕對溫度（kelvin scale）（克氏溫度）（凱氏溫度）作為標準。

【補充】kelvin scale：克氏溫度、凱氏溫度，翻譯不同而已！

熱力學第零定律（The Zeroth Law of Thermodynamics）：

物體 A 和物體 B 分別和第三個物體 T 達成熱平衡，則物體 A 與物體 B 必定互相達成熱平衡。

兩物體分別與第三個物體達成熱平衡，則他們會互相達成熱平衡。

第零定律 - 熱平衡

達到熱平衡...等溫，溫度一樣～

任何物體都有一個特性，稱為『溫度』

=> Kelvin Scale（克氏溫度，T）

絕對0度＝0K

=> Celsius Scale（攝氏溫度， $T_C$ ）

=> Fahrenheit Scale（華氏溫度， $T_F$ ）

$0^0C=273.15K$

$0^0C=32^0F$

$100^0C=212^0F$

$-40^0C=-40^0F$

$\dfrac{T_C-0}{T_F-32}=\dfrac{0-(-40)}{32-(-40)}=\dfrac{5}{9}$

$T_F=\dfrac{9}{5}T_C+32^0$

$T_C=\dfrac{5}{9}\Big(T_F-32^0\Big)$

【注意】在寫攝氏溫度時會寫成100⁰ C，上面的0指的是“度”，讀成 “100度C”。但絕對溫度中，則不需要。只要寫為100K就好！

【補充】人體溫度約為37⁰ C（大約是98⁰ F），如果體溫為100⁰ F（37.7⁰ C）就是輕微發燒了！

室溫25⁰ C（大約是77⁰ F）（也就是約300K）

夏天溫度30⁰ C（大約是86⁰ F）

沙漠溫度標高到40⁰ C（大約是104⁰ F）

太陽表面溫度約5500⁰ C（約5800K）（也有一種說法是6000⁰ C）

太陽核心溫度約1500萬K（15,000,000K）

日冕溫度100萬K-200萬K（1,000,000K～2,000,000K）

地心溫度約7500K

宇宙背景輻射3K

高溫超導...1987年釔鋇銅氧77K（約零下196⁰ C）。

水的三相點（triple point of water）：在特定壓力與溫度時，固態冰、液態水和氣態蒸汽會在熱平衡下同時存在。

圖片來源：維基百科-三相點

$T_3=273.16K$ （三相點的溫度）（足碼3指的是三相點。）

【注意】在寫攝氏溫度時會寫成 $100^0 C$ ，上面的0指的是“度”，讀成 “100度C”。但絕對溫度中，則不需要。只要寫為100K就好！

$1^0 C=1 K$

$T=(273.16K) \lim_{gas\to 0}\dfrac{p}{p_3}$

熱膨脹thermal expansion：

1）線膨脹（linear expansion）：

長度 $L$ 的金屬，溫度升高了 $\Delta T$ ，其長度變化量為： $\Delta L=L \alpha \Delta T$

$\alpha$ ：線膨脹係數（coefficient of linear expansion）

2）體膨脹（volume expansion）：

體積 $V$ 液體或固體，溫度升高了 $\Delta T$ ，其體積變化量為： $\Delta V=V \beta \Delta T$

$\beta$ ：體膨脹係數（coefficient of volume expansion）

$\beta=3\alpha$

熱（Heat）的定義：

熱是一種能量，當系統與環境溫度不同時，熱會在系統與環境間轉移。

卡路里（calorie）：1g純水，溫度由 $14.5^0 C$ 增加到 $15.5^0 C$ ，所需增加的熱量，稱為1卡路里。（以前的定義！）

在英制單位裡，熱單位為British thermal unit（Btu），1Btu 為 1 lb（1磅）的純水溫度由 $63^0 F$ 加熱到 $64^0 F$ 所需的熱量。

$1 cal=3.968 \times 10^{-3} Btu=4.1868 J$

熱容量（heat capacity，C）

$Q=C \Delta T$

比熱（specific heat，c）：單位質量的熱容量

$Q=c m \Delta T$

$c=1 cal/g \cdot ^0C= 1 Btu/lb \cdot ^0F=4186.8 J/kg\cdot K$

比熱大（c大） => 同樣的熱，溫度變化小

比熱小（c小） => 同樣的熱，溫度變化大

∴ 海水有穩定氣候的功能（海水比熱 0.93 cal/g.K）

相變熱（潛熱）（Latent Heat，L）

當一樣品產生相變時，單位質量吸收或釋放的熱。

$Q=Lm$

水的蒸發熱（heat of vaporization） $L_{vap} = 2256 kJ/kg \approx 540 kcal/kg$

水的溶解熱（heat of fusion） $L_{fusion} = 333 kJ/kg \approx 80 kcal/kg$

熱力學第一定律（The first law of thermodynamics）：

系統最初的能量 $E_{int}$ ，如果能量以熱 $Q$ 方式增加時，系統能量增加。如果藉著系統作功 $W$ 來減少能量，
系統能量減少。
（系統能量的改變，是因為有熱 $Q$ 加進來而增加，系統作功 $W$ 損失能量而減少。）

最初系統的能量改變，對系統做功且當它和環境交換熱。

$\Delta E_{int}=E_{int,f}-E_{int,i}=Q-W$ （第一定律）

系統從外界所吸收的熱（ $\Delta Q$ ）=系統對外所做的功（ $\Delta W$ ）+ 系統本身內能的增加量（ $\Delta E_{int}$ ）。

熱力學第一定律就是一個『包含熱的能量守恆公式』。

『熱』是『能量』的另一種形式。

熱傳遞：

一般熱的傳遞有三種方式：傳導（conduction），對流（convection），輻射（radiation）

傳導（conduction）：
熱能從高溫向低溫部分轉移的過程，是一個分子向另一個分子傳遞震動能的結果。各種材料的熱傳導性能不同，傳導性能好的，如金屬，還包括了自由電子的移動，所以穿熱速度快，可以做熱交換器材料；傳導性能不好的，如石棉，可以做熱絕緣材料。固體的傳熱方式主要是傳導；熱從高溫的物體傳到低溫的物體。

對流（convection）：
流體內部的分子運動，是熱傳與質傳的主要模式之一。熱對流（亦稱爲對流傳熱）是三種主要熱傳方式中的其中一種（另外兩種分別是熱傳導與熱輻射），通常發生在流體內或流體和容器之間有溫度差時，因為溫度的差異會使得流體之間密度不同。質傳方面的例子如不同的鹽分密度或者是外力的施與引起密度不均，也會引起對流。在大氣中、海洋內、以及行星的地函裡，也都有對流在發生。液體和氣體的傳熱方式主要是對流。

輻射（radiation）：
能量以波或是次原子粒子移動的型態傳送。一般可依其能量的高低及游離物質的能力分類為游離輻射或非游離輻射。一般普遍將這個名詞用在游離輻射。游離輻射具有足夠的能量可以將原子或分子游離化，非游離輻射則否。輻射活性物質是指可放射出遊離輻射之物質。游離輻射主要有三種：α、β 及 γ 輻射（或稱射線）。不需任何物質當媒介，而直接由熱源傳播出去的方式叫輻射。
輻射（radiate）一般意思為 emit（發射、散發、釋放，從一個點向外射出）。

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