溫度與物質

 

熱的重要性

懂得用火的人類

化學反應的速率

生物的演化與生命的依存

蒸汽機帶來的工業革命與社會革命

物質宇宙的宿命

 

 

熱的本質

歷史上 先以為是熱素,或流體

後來才知道不是(觀察鑽砲身)

 

 

溫度的定義與意義

溫度的巨觀 (操作型) 定義

 

溫標

攝氏

 

與華氏的轉換

TC = (5/9) (TF - 32)

 

Kelvin

TK = TC + 273.15

Kelvin 本身是單位,不必再講 "度" 或 "degree"

 

溫度的微觀 (統計上的) 定義

<KE> = 3/2 n k T ,故 T = 2/3 <KE> / (nk)

n 是分子數

k 是波玆曼常數

T 是 溫度

 

溫度就是平衡時的平均動能

 

熱力學第零定律

A 與 B 同溫、B 與 C 同溫,則 A 與 C 同溫。

我們為什麼需要這種看起來有點阿達的定律?答案:替我們使用溫度計來測量各種物體的溫度建立一個合理性。(就不會發生,量鐵與銅時溫度計讀數一樣,但材質上的不同造成記錄溫度時鐵的值要填高一寫。)

 

 

溫度的範圍

見課本有趣的整理

超低溫下的研究

蒸發冷卻技術(液氦沸點 4.2K)

 

超高溫下的研究

核融合反應器(電漿磁束縛,不使接觸爐壁)

粒子對撞所產生的瞬間溫度

 

溫度對物質的效應

脹縮

熱膨脹

熱脹冷縮是物質在不同溫度下的一個重要現象,參考教科書中舉了很多例子(其中鐵軌、溫控、假牙、噴射機身等)。

線膨脹

ΔL = L α ΔT

其中 α 是線膨脹係數,幾種表見參考書,注意冰的很大。

體膨脹

ΔV= V β ΔT

β= 3 α

作業:證明 β= 3 α

原因:ΔV = Vnew -V = (L+ΔL)3 - L3 =[ L(1+αΔT) ]3 - L3 ≈ 3 α L3 ΔT = βL3 ΔT = βVΔT

 

相變

一個與溫度很有關係,就是晶體在不同溫度時的相變。

 

從統計力學的角度看,溫度會放大熵(亂度)的效應。普通物理之熱力學與大二熱力學就少在 TdS 貢獻。

 

反應

化學反應

 

 

核反應

 

 

Bose condensation

超導 與 超流性

 

 

 

地表的溫度

不是靜態的 (有冰河期幾萬年的循環),以更長時間尺度而言,地表溫度也有過大變動(是什麼驅動了這樣的大變動?)

全球暖化的原因?

例題:地球升溫一度時海面因海水熱膨脹而導致的海水升高幅度

 

 

 

宇宙的溫度

背景溫度 2.7 K (1965 量到)

由電磁波頻譜測得

怎麼會這樣均勻?(請記得天空很大很遠)大霹靂,目前沒有其他更合理而有說服力的理由。

(宇宙膨脹是二十世紀重大發現)

宇宙膨脹怎知道?

(1) 恆星如何定遠近(視角差,或,火車上看遠物不動近物動的原理)

(2) 哈柏定律(Hubble's law)

紅位移程度大小與恆星遠近的關係式(來自越遠的星光,紅位移程度越大,呈線性)

經光柵分光後的光譜線,如下圖例

有名的 鈉雙黃線 (Double - D Lines) 由富朗豪斐 (Fraunhofer) 最早提出

公路上常用的鈉燈

 

不像聲音的都卜勒效應那樣,光並不需透過媒介傳播,那麼為什麼光會有紅位移?

光速對任何觀察者而言,光速是固定的,這是是狹義相對論的基本假設(很多實驗證實狹義相對論是對的,因此未來較可能是小幅修正,而非全面推翻)。由於光速固定,光源對觀察者有相對速度,因此只可能是波長變長(光源遠離中)或變短(光源逼近中)。

另一種說法或看法,空間變大了,光子被拉長(科學人 2011 物理專輯)。

 

 

黑體幅射(下圖是新數據)

量測值與理論上應有的曲線完全重合,一致性超高,代表其來源是理想黑體。詮釋:初期宇宙結構單純、極高溫但達平衡。是膨脹讓看起來的光譜變冷很多,但曲線的樣子仍仍是典型的黑體幅射。

我們將在近代物理單元塈@更多熱幅射的介紹

 

背景溫度的微小變化 (2001量到)

代表初期宇宙的不均勻性

藉此 (1) :推測宇宙年齡(與其他結果一併使用)137 億年

藉此 (2) :預測有暗物質與暗能量

 

 

 

 

 

 

熱的定義

 

熱在機械上的等校性

焦耳實驗:熱功當量

一開始別人不相信他做得出來。使用超大溫度計(為獲精密讀取值)、成功關鍵是維持溫差小,一直持續做,(請注意上圖只是示意圖,真正的裝置相當精密,在倫敦的科學博物館)另有一個有名的持續不斷做的實驗是 "邁可森–莫利" 兩人量光速之以太效應的實驗。

作業:焦耳實驗的歷史回顧

 

熱就是能量

 

 

理想氣體的經驗公式

波以耳定律

定溫下

p1 V1 = p2 V2

 

查爾斯定律

 

蓋–路薩克定律

 

亞佛加厥定律

同溫同壓下

V / n = 常數

亞佛加厥數

NA = 6.022 x 10^23

 

理想氣體方程式

P V = n R T

前提假設是,只與容器壁碰撞(也就是分子無體積、之間也無交互作用力)。