热力学如何学习?罗格斯大学课程同步辅导

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一、关于热力学

热力学是物理学的一个分支，研究热能与其他形式能量之间的关系。特别是，它描述了热能如何转换成和转换成其他形式的能量，以及热能如何影响物质。

根据肯塔基大学的说法，热能是物质或系统因其温度而具有的能量，换句话说，是运动或振动的分子的能量。密苏里南方州立大学物理学教授大卫-麦基(David McKee)告诉《生活科学》。"我们在热力学中研究的系统......由大量原子或分子以复杂的方式相互作用组成。但是，如果这些系统符合正确的标准，也就是我们所说的平衡，就可以用极少量的测量值或数字来描述它们。这通常被理想化为系统的质量、系统的压力和系统的体积，或其他一些等效的数字集合。

热力学关注物质的若干特性，其中最重要的是热。根据佐治亚州立大学的说法，热量是物质或系统之间由于温度差而传递的能量。作为能量的一种形式，热是守恒的--它不能被创造或毁灭。但是，它可以从一个地方转移到另一个地方。热量还可以转换成或转换成其他形式的能量。例如，蒸汽涡轮机可以将热能转化为动能，从而驱动发电机将动能转化为电能。灯泡可以将电能转化为电磁辐射(光)，当电磁辐射被表面吸收时，又会转化为热能。在整个过程中，部分能量会因熵而损失。

二、温度

据佐治亚州立大学称，物质传递的热量取决于该物质运动的速度和原子或分子的数量。原子或分子运动得越快，温度就越高，运动的原子或分子越多，传递的热量就越大。

根据《美国传统词典》，温度是 "物质样本中粒子平均动能的度量，用标准刻度上指定的单位或度数表示"。最常用的温标是摄氏温标，它以水的冰点和沸点为基础，指定的数值分别为 0 摄氏度和 100 摄氏度;华氏温标也以水的冰点和沸点为基础，指定的数值分别为华氏 32 度和华氏 212 度。

然而，根据苏格兰国家图书馆的说法，全世界的科学家都使用以威廉-汤姆森(William Thomson)命名的开尔文(K，没有度数符号)刻度，因为它基于总热能，而不是水的冰点和沸点。不过，开尔文标度是从绝对零度开始的，在这个温度下完全没有热能，所有分子运动都停止了。0 K 的温度等于负 459.67 F 或负 273.15 C。

三、具体热量

Wolfram Research 将一定质量的物质温度升高一定量所需的热量称为比热或比热容。其传统单位是每克每开尔文卡路里。卡路里被定义为将 1 克 4 摄氏度的水的温度提高 1 度所需的热能。

金属的比热几乎完全取决于样品中原子的数量及其结合方式，而不是样品的质量。例如，一公斤铝吸收的热量是一公斤铅的七倍。然而，根据东南路易斯安那大学的研究，由于水分子之间存在强大的结合力，一定质量的水所吸收的热量几乎是同等质量铝的五倍。

四、导热性

根据 Debdatta Ratna 的《热固性塑料》(Woodhead Publishing limited，2012 年)，导热率(k)是 "热量通过特定材料某一截面的速率"。根据斯沃斯莫尔学院的说法，k 的单位是每开尔文 (K) 每米 (m) 瓦 (W)。铜和银等金属的 k 值相对较高，分别为 380 和 420 W/m-K。这种特性使这些材料成为汽车散热器和计算机芯片冷却片的有用材料，因为它们可以快速带走热量并与环境交换。根据 2009 年发表在《材料》杂志上的一项研究，天然物质中 k 值最高的是钻石，为 2,200 W/m-K。

其他材料之所以有用，是因为它们是极差的热导体;这种特性被称为热阻或 R 值，它描述了热量通过材料传播的速度。这些材料，如玻璃纤维、鹅绒和泡沫塑料，可用于建筑外墙的隔热、冬季外套和保温咖啡杯。根据开源教科书 OpenStax，R 值的单位是平方英尺乘以华氏度乘以每英制热量单位的小时数(ft2-°F-h/Btu)。

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