熱力學(xué)如何學(xué)習(xí)?了解熱力學(xué)的所有知識(shí)，這是一門(mén)探索熱量與其他形式能量之間關(guān)系的科學(xué)。HighMark可以進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的羅格斯大學(xué)課程同步輔導(dǎo)哦!

一、關(guān)于熱力學(xué)

熱力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，研究熱能與其他形式能量之間的關(guān)系。特別是，它描述了熱能如何轉(zhuǎn)換成和轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，以及熱能如何影響物質(zhì)。

根據(jù)肯塔基大學(xué)的說(shuō)法，熱能是物質(zhì)或系統(tǒng)因其溫度而具有的能量，換句話(huà)說(shuō)，是運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的分子的能量。密蘇里南方州立大學(xué)物理學(xué)教授大衛(wèi)-麥基(David McKee)告訴《生活科學(xué)》。"我們?cè)跓崃W(xué)中研究的系統(tǒng)......由大量原子或分子以復(fù)雜的方式相互作用組成。但是，如果這些系統(tǒng)符合正確的標(biāo)準(zhǔn)，也就是我們所說(shuō)的平衡，就可以用極少量的測(cè)量值或數(shù)字來(lái)描述它們。這通常被理想化為系統(tǒng)的質(zhì)量、系統(tǒng)的壓力和系統(tǒng)的體積，或其他一些等效的數(shù)字集合。

熱力學(xué)關(guān)注物質(zhì)的若干特性，其中最重要的是熱。根據(jù)佐治亞州立大學(xué)的說(shuō)法，熱量是物質(zhì)或系統(tǒng)之間由于溫度差而傳遞的能量。作為能量的一種形式，熱是守恒的--它不能被創(chuàng)造或毀滅。但是，它可以從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。熱量還可以轉(zhuǎn)換成或轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。例如，蒸汽渦輪機(jī)可以將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。燈泡可以將電能轉(zhuǎn)化為電磁輻射(光)，當(dāng)電磁輻射被表面吸收時(shí)，又會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。在整個(gè)過(guò)程中，部分能量會(huì)因熵而損失。

二、溫度

據(jù)佐治亞州立大學(xué)稱(chēng)，物質(zhì)傳遞的熱量取決于該物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度和原子或分子的數(shù)量。原子或分子運(yùn)動(dòng)得越快，溫度就越高，運(yùn)動(dòng)的原子或分子越多，傳遞的熱量就越大。

根據(jù)《美國(guó)傳統(tǒng)詞典》，溫度是 "物質(zhì)樣本中粒子平均動(dòng)能的度量，用標(biāo)準(zhǔn)刻度上指定的單位或度數(shù)表示"。最常用的溫標(biāo)是攝氏溫標(biāo)，它以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)為基礎(chǔ)，指定的數(shù)值分別為 0 攝氏度和 100 攝氏度;華氏溫標(biāo)也以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)為基礎(chǔ)，指定的數(shù)值分別為華氏 32 度和華氏 212 度。

然而，根據(jù)蘇格蘭國(guó)家圖書(shū)館的說(shuō)法，全世界的科學(xué)家都使用以威廉-湯姆森(William Thomson)命名的開(kāi)爾文(K，沒(méi)有度數(shù)符號(hào))刻度，因?yàn)樗诳偀崮?，而不是水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)。不過(guò)，開(kāi)爾文標(biāo)度是從絕對(duì)零度開(kāi)始的，在這個(gè)溫度下完全沒(méi)有熱能，所有分子運(yùn)動(dòng)都停止了。0 K 的溫度等于負(fù) 459.67 F 或負(fù) 273.15 C。

三、具體熱量

Wolfram Research 將一定質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高一定量所需的熱量稱(chēng)為比熱或比熱容。其傳統(tǒng)單位是每克每開(kāi)爾文卡路里。卡路里被定義為將 1 克 4 攝氏度的水的溫度提高 1 度所需的熱能。

金屬的比熱幾乎完全取決于樣品中原子的數(shù)量及其結(jié)合方式，而不是樣品的質(zhì)量。例如，一公斤鋁吸收的熱量是一公斤鉛的七倍。然而，根據(jù)東南路易斯安那大學(xué)的研究，由于水分子之間存在強(qiáng)大的結(jié)合力，一定質(zhì)量的水所吸收的熱量幾乎是同等質(zhì)量鋁的五倍。

四、導(dǎo)熱性

根據(jù) Debdatta Ratna 的《熱固性塑料》(Woodhead Publishing limited，2012 年)，導(dǎo)熱率(k)是 "熱量通過(guò)特定材料某一截面的速率"。根據(jù)斯沃斯莫爾學(xué)院的說(shuō)法，k 的單位是每開(kāi)爾文 (K) 每米 (m) 瓦 (W)。銅和銀等金屬的 k 值相對(duì)較高，分別為 380 和 420 W/m-K。這種特性使這些材料成為汽車(chē)散熱器和計(jì)算機(jī)芯片冷卻片的有用材料，因?yàn)樗鼈兛梢钥焖賻ё邿崃坎⑴c環(huán)境交換。根據(jù) 2009 年發(fā)表在《材料》雜志上的一項(xiàng)研究，天然物質(zhì)中 k 值最高的是鉆石，為 2,200 W/m-K。

其他材料之所以有用，是因?yàn)樗鼈兪菢O差的熱導(dǎo)體;這種特性被稱(chēng)為熱阻或 R 值，它描述了熱量通過(guò)材料傳播的速度。這些材料，如玻璃纖維、鵝絨和泡沫塑料，可用于建筑外墻的隔熱、冬季外套和保溫咖啡杯。根據(jù)開(kāi)源教科書(shū) OpenStax，R 值的單位是平方英尺乘以華氏度乘以每英制熱量單位的小時(shí)數(shù)(ft2-°F-h/Btu)。

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