熱

熱平衡（Thermodynamic Equilibrium）
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

一個系統達到熱平衡(Thermodynamic equilibrium)即表示，其壓力、溫度、體積等巨觀的物理性質都不會隨時間而改變，但粒子與粒子之間仍存在能量交換。舉例來說，一個理想的氣體系統達熱平衡，其溫度即維持恆定，但粒子速率分佈函數遵守馬克士威分子速率分佈，並非每一個粒子速率都相同。而兩個互相處於平衡狀態的系統，兩者各自處於平衡狀態且兩者在可以交換熱量的情況下，仍然保持平衡狀態。

熱力學第一定律 (First Law of Thermodynamics)與絕熱膨脹
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

在熱力學中熱力學第一定律為能量守恆定律更廣泛的應用，魯道夫.克勞修斯(Rudolf Clausius)於1850年首次明白的陳述熱力學第一定律。

「系統內能（U）的增加等於系統吸收的熱（δQ）減去系統對周圍環境所做的功（δW）」

該定律敘述一個系統能夠貯存熱量成為內能(internal enargy)，藉由熱傳遞的過程，能量可以從一個高溫的來源加到系統中或損失能量到一個更低溫的系統。此外，能量也可經由作功的過程損失；反過來，當外界對系統做功，則系統的能量將會增加。

潛熱 （Latent Heat）
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

潛熱是物質在相變化（固態 ↔ 液態 ↔ 氣態）過程中，溫度沒有變化的情況下，吸收或釋放的能量。這個名詞是由蘇格蘭物理學家約瑟夫•佈雷克（Joseph Black）於1750年左右從拉丁文的「latere」衍生而來，意即「隱藏」。目前潛熱這個名詞在很多書籍文章中稱為焓的變化（enthalpy transformation）。

對物質加熱，所增加的能量通常以動能的形式表現，巨觀上即溫度升高。當分子動能提高到某個程度，則增加 的能量用來破壞分子間的作用力，此時分子動能並不增加，而是提高了位能。因為巨觀上看不到位能變化，所以稱為潛熱。潛熱可分為熔化熱及汽化熱，當相變是由 固態轉為液態時，能量改變是吸熱性的，稱為熔化熱；當相變是由液態轉為氣態時，能量改變也是吸熱性的，稱為汽化熱；當相變是另一個方向的時候（氣態→液態 →固態），能量改變則為放熱性的。

蒸氣壓 (Vapor Pressure)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

蒸氣壓是指這種物質在氣相中的分壓，飽和蒸氣壓是蒸氣與非蒸氣在平衡狀態的壓力，這種平衡狀態是ㄧ種動態平衡，處於液態和固態的物質有汽化至氣態的趨勢；處於氣態的物質也有回到液態和固態的趨勢。

液體靠近表面的分子，動能較大的會逃脫而進入氣態，然而逃脫分子也可能會與液體上方的氣體分子相碰撞，而使得有些分子重返液體內。密閉容器中，由液體逃脫的 分子越來越多，這些逃脫的分子也會碰撞到液體表面而被捕捉，這就出現凝結現象。當汽化和凝結過程均以同一速率進行即平衡達成時，蒸氣中的分子數目將不會改 變，此時液體呈現的蒸氣壓稱為飽和蒸氣壓，溫度越高飽和蒸氣壓越大。

熔點與凝固點（Melting and Freezing Points ）
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

結晶的固體當溫度漸漸升高，直到發生熔化時的溫度稱為熔點，熔化時所增加的熱量用來破壞分子間的作用力(即改變位能)，而分子動能並不增加，此時溫度維持固定。若反過來對液體降溫，直到其凝固時的溫度稱為凝固點。

熔點的高低會受到壓力影響，其變化分為兩類：一類是當壓力升高則熔點降低，例如純水在一大氣壓時的熔點非常接近 $$0^\circ C$$，直接對低於 $$0^\circ C$$ 的冰塊加壓，則會使冰塊受壓而熔化，但這種因壓力變化而造成的熔點變化非常小，大約每升高 $$130$$ 個大氣壓降低 $$1$$ 攝氏度；另一類是當壓力升高則熔點升高，大部分物質具有此種特性。對於穿冰刀溜冰時摩擦力很小的原因，早期認為是因為冰刀接觸面積小，對冰的表面壓力大，造成冰面暫時的熔化，目前已了解是具有其他的表面作用。

隔熱材料–強化碳碳複合材料 （Reinforced Carbon-carbon）
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

碳碳複合材料簡稱（RCC）是種複合材料，利用在石墨中碳纖維進行強化製成，經常在表面鍍上碳化矽（silicon carbide）薄膜以防止氧化。該材料是為了洲際導彈鼻錐使用而研發，並且廣泛使用在太空梭的鼻錐與前沿部位。

Brabham團隊於1976年的一級方程式賽車中首度在煞車中使用RCC，最近更出現在某些高級車種中（如Bugatti Veyron，售價約台幣六千萬）。

隔熱（Heat Pipe）在各方面的應用（二）–工業與太空旅行熱管
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

工業
在工業上，必須耗費能源在提升、降低或維持產品、原料或製造過程的溫度。若沒有完善的隔熱措施，將會提高能源的使用率，增加製造成本，而釋出的熱量也會對環境產生衝擊。

太空旅行
太空梭對於隔熱的要求相當嚴格，而且隔熱材料必須輕量化，否則將增加額外的重量，與發射太空梭的花費。在太空中，並沒有大氣層可以隔絕太陽輻射，物體表面的 溫度上升快速。且在太空中，沒有氣體可資利用，以「對流」的方式移除熱量，太空梭也沒有與其他物體直接接觸，更無法藉由「傳導」的方式送走熱量。因此，多 層膜隔熱方式（如覆蓋金箔在人造衛星或探測船）相當常見，利用金箔控制熱輻射。

隔熱（Heat Pipe）在各方面的應用（一）–衣著與建築物
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

衣著
衣物的目的在於維持人體的體溫，為了移除過多體熱，衣物必須讓汗水順利蒸發，藉由汗水蒸發時自人體吸收汽化熱來降溫。當人們活動或處於高溫下時，衣料將會因為身體的活動而有所起伏，並產生氣流，可加速汗水的蒸發，且衣物可以微微的遮蔽人體，具有隔熱效果，使身體溫度略低於周圍環境。

節溫器 （Thermostat）
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

「節溫器」，該裝置是用來調節系統的溫度，藉由控制熱的流向（流入或流出）以維持系統溫度接近於溫度的設定值。簡而言之，節溫器可轉換或啟動加熱、冷卻元件，以維持系統處於正確的溫度。

節溫器有許多不同的製造原理，以及使用不同的感測器來量測溫度，依據感測器的偵測結果進一步控制加熱或冷卻系統。