热力学和热力学系统

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热力学和热力学系统之间的区别

热力学 vs. 热力学系统

热力学，全稱熱動力學（thermodynamique，Thermodynamik，thermodynamics，源於古希腊语θερμός及δύναμις）是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科；它着重研究物质的平衡状态以及与準平衡态的物理、化学过程。热力学定義許多巨觀的物理量（像溫度、內能、熵、壓強等），描述各物理量之間的關係。热力学描述數量非常多的微觀粒子的平均行為，其定律可以用統計力學推導而得。 熱力學可以總結為四條定律。 熱力學第零定律定義了温度這一物理量，指出了相互接觸的两个系統，熱流的方向。 熱力學第一定律指出内能這一物理量的存在，並且與系統整體運動的動能和系統与與環境相互作用的位能是不同的，區分出熱與功的轉換。 熱力學第二定律涉及的物理量是温度和熵。熵是研究不可逆过程引入的物理量，表征系統通過熱力學過程向外界最多可以做多少熱力學功。 熱力學第三定律認為，不可能透過有限過程使系統冷却到絕對零度。 熱力學可以應用在許多科學及工程的領域中，例如：引擎、相變化、化學反應、輸運現象甚至是黑洞。熱力學計算的結果不但對物理的其他領域很重要，對航空工程、航海工程、車輛工程、機械工程、細胞生物學、生物醫學工程、化學、化學工程及材料科學等科學技術領域也很重要，甚至也可以應用在經濟學中。 热力学是从18世纪末期发展起来的理论，主要是研究功與热量之間的能量轉換；在此功定義為力與位移的內積；而熱則定義為在熱力系統邊界中，由溫度之差所造成的能量傳遞。兩者都不是存在於熱力系統內的性質，而是在熱力過程中所產生的。 熱力學的研究一開始是為了提昇蒸汽引擎的效率，早期尼古拉·卡諾有許多的貢獻，他認為若引擎效率提昇，法國有可能贏得拿破崙戰爭。出生於愛爾蘭的英國科學家開爾文在1854年首次提出了熱力學明確的定義： 一開始熱力學研究關注在熱機中工質（如蒸氣）的熱力學性質，後來延伸到化学过程中的能量轉移，例如在1840年科學家杰迈因·亨利·盖斯提出，有關化學反應的能量轉移的研究。化學熱力學中研究熵對化學反應的影響Gibbs, Willard, J. (1876). 热力学系统（Thermodynamic system）是指用于热力学研究的有限宏观区域，是热力学的研究对象。它的外部空间被称为这个系统的环境。一个系统的边界将系统与它的外部隔开。这个边界既可以是真实存在的，也可以是假想出来的，但必须将这个系统限制在一个有限空间里。系统与其环境可以在边界进行物质，功，热或其它形式能量的传递。而热力学系统可以从它的边界（或边界的一部分）所允许的传递类型进行分类。 热力学系统有一系列的状态函数，比如体积，压强，温度等。这些量都是可以通过实验测量的宏观量。这些量的数值共同决定这个系统的热力学状态。一个热力学系统的状态函数通常存在一个或多个函数关系。这些关系可由状态方程表述。平衡热力学不涉及对这些状态函数的通量的研究。因为由热力学平衡的定义可以自然得到，这些函数的通量的值为零。当然，平衡热力学可能会涉及使通量不为零的过程，但在热力学过程进行前，这些过程必需停止。非平衡热力学允许状态函数通量不为零。通量不为零表示在系统和它的环境间存在物质，能量或熵等的传递。 孤立系统是一种假想存在的系统。这种系统与其外界无任何相互作用。在理想状况下，其内部处于热力学平衡，即它的热力学状态不随时间变化。而非孤立系统根据它的边界的性质可以与它的环境处于热力学平衡。它们也可能处于时时变化或者循环变化（一种稳态）的非平衡状态。系统与其环境的相互作用可以通过热传递或者长程力等方式进行。 热力学系统并非一个普遍概念，并不能代表全部的物理学系统。而这里定义的热力学系统的物理存在可以认为是平衡热力学的基础公设，尽管并没有被列为一条热力学定律。而在一些文献中，热力学第零定律通常的表述被认为是这一公设的一个推论。 热力学系统的概念可以追溯到1824年尼古拉·卡诺对于热机的研究。他当时称其为热机的工作物质。.

孤立系統

在熱力學之中，孤立系統（或孤懸系統）是指一個完全不與外界交換能量或質量的系統。任何能量或質量都不能進入或者離開一個孤立系統，只能在系統內移動。 除了把整個宇宙視為一體之外，孤立系統並不存在於現實之中。但是，在一定次數內，有些真實系統的行為近乎於孤立系統。因而，孤立系統的概念可以作為真實情況的一個近似模型。在建立以數學模型描述一些自然現象時，孤立系統是個可被接受的模型。 可被近似於孤立系統的模型包括：.

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封閉系統

在熱力學之中，封閉系統是指一個只與外界交換能量（作功或熱量）而不交換質量的系統。 假如一個只擁有一種粒子（原子或分子）的系統進行化學反應時，過程中所有種類的粒子都可以被生成或破壞。但是，封閉系統內的元素原子數目將會守恒。數學上可以寫成：.

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尼古拉·卡诺

尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot，），法国物理学家、工程师，常被形容為“熱力學之父”。尼古拉·卡诺在1824年6月12日发表了他唯一的出版著作《论火的动力》（《Reflections on the Motive Power of Fire》）。卡诺在这部著作中提出了卡诺热机和卡诺循环概念及“卡诺原理”（现在称为卡诺定理）。在卡诺的一生中，他的研究不曾引起外界关注。卡诺生前的好友罗贝林（Robelin）在法国《百科评论》杂志上曾经这样写道：“卡诺孤独地生活、凄凉地死去，他的著作无人阅读，无人承认。”不过後來他的理论被鲁道夫·克劳修斯和威廉·汤姆森重新陳述，是建立热力学第二定律的正式定義熵的概念的重要基础。《论火的动力》这部著作也成为热力学成为现代科学的标志。1832年，他染上了流行性霍乱，在同年8月24日被夺去了生命，病逝于巴黎，年仅36岁。.

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状态方程

在物理学和热力学中，状态方程（Equation of state），也称物态方程，表达了热力学系统中若干个态函数参量之间的关系。特別是在热力学中，状态方程是一个热力学方程，描述了给定物理条件环境下物质的状态，例如其温度、压强、体积和内能。状态方程在描述流体、混合流体、固体甚至是研究恒星内部都十分有用。.

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环境

环境是指周围所在的条件，对不同的对象和科学学科来说，环境的内容也不同。 环境可以指：.

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热力学第一定律

熱力學第一定律（First Law of Thermodynamics）是熱力學的四條基本定律之一，能量守恒定律對非孤立系統的擴展。此時能量可以以功W或熱量Q的形式傳入或傳出系統。即： 式中\Delta E_为系统内能的变化量，若外界对该系统做功，则W为正值，反之为负值。 写成微分形式为：.

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热力学第二定律

热力学第二定律（second law of thermodynamics）是热力学的三条基本定律之一，表述热力学过程的不可逆性——孤立系统自發地朝著熱力學平衡方向──最大熵狀態──演化，同样地，第二类永动机永不可能实现。 這一定律的歷史可追溯至尼古拉·卡诺对于热机效率的研究，及其于1824年提出的卡诺定理。定律有许多种表述，其中最具代表性的是克劳修斯表述（1850年）和开尔文表述（1851年），这些表述都可被证明是等价的。定律的数学表述主要借助魯道夫·克勞修斯所引入的熵的概念，具体表述为克劳修斯定理。 虽然这一定律在热力学范畴内是一条经验定律，无法得到解释，但随着统计力学的发展，这一定律得到解释。 这一定律本身及所引入的熵的概念对于物理学及其他科学领域有深远意义。定律本身可作为过程不可逆性及时间流向的判据。而路德维希·玻尔兹曼对于熵的微观解释——系统微观粒子无序程度的量度，更使这概念被引用到物理学之外诸多领域，如信息论及生态学等。.

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热力学第零定律

熱力學第零定律（Zeroth Law of Thermodynamics），又稱熱平衡定律，是熱力學的四條基本定律之一，是一個關於互相接觸的物體在熱平衡時的描述，以及為溫度提供理論基礎。最常用的定律表述是： 換句話說，第零定律是指：在一個數學二元關係之中，熱平衡是遞移的。.

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热量计

热量计（calorimeter），或称量热计、卡計，是一种用于测量进行热量测定的实验设备，可以用于测量化学反应、物理变化过程的热量变化，或测定材料的热容。最常見的是差示掃描量热计、恆溫微卡計（isothermal microcalorimeter）、滴定量熱計（titration calorimeter）及加速量热仪（accelerated rate calorimeter）等。最簡單的热量计是在燃燒室上面放一個金屬容器，其中裝有水及一支溫度計。 若要量測物質A和物質B反應時，每摩尔的焓變化，可以將物質放到量热计中，記錄其反應前的初溫及反應後的末溫，將物質質量乘以溫度差及其比熱，即可算出所吸收的熱量，再除以摩尔數即為反應中的焓變化。此方法主要用在學校教授量热法時示範用，此方法沒有考慮容器散失的熱，以及溫度計及容器本身的熱容。.

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熱力學平衡

热力学平衡，简称热平衡，指一个热力学系统在没有外界影响的条件下，系统各部分的宏观属性（如物质的量、能量、体积等）在长时间内不发生任何变化的状态。 熱平衡是熱力學中的一個基本實驗定律，其重要意義在於它是科學定義溫度概念的基礎，是用溫度計測量溫度的依據。 在熱力學中，溫度、內能、熵是三個基本的狀態函數：.

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熱帶氣旋

熱帶氣旋是發生在熱带、亞熱帶地區海面上的氣旋性環流（风暴），由水蒸氣冷卻凝結時放出潛熱發展而出的暖心结構。.

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魯道夫·克勞修斯

魯道夫·朱利葉斯·埃曼努埃爾·克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，），德國物理學家和數學家，熱力學的主要奠基人之一。他重新陳述了尼古拉·卡諾的定律（又被稱為卡諾循環），把熱理論推至一個更真實更健全的基礎。他最重要的論文於1850年發表，該論文是關於熱的力學理論的，其中首次明確指出熱力學第二定律的基本概念。他还於1855年引進了熵的概念。.

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開放系統 (熱力學)

在熱力學中，開放系統指與外界交換能量和質量的系統。系統是隨意介定的：在研究一些特定組件時，相關的空間領域可被視為系統。 開放系統假設了外界能量供應不能減少；實際上，這種外界能量是由周圍環境的某種東西供應，而在研究需要時這種能量供應可被視為源源不絕。其中一種開放能量是所謂的輻射能系統，此系統的能量接收自由太陽輻射－一個於任何實驗都可被視為用之不竭的能量來源。某些虛構開放系統的能量接收自太空中的真空能。 太空纜索是一個開放系統的例子。當纜索在地球磁場中移動時，透過以地面以及電離層組成的迴路會被視作一個發電器，以電磁感應的方式把纜索的動能轉化成電能。.

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