內能與等體積比熱

熱力學的內能是氣體分子所有可能的動能加總,包括移動、轉動與振動動能。

有同學來信問到為何內能的變化量是系統氣體分子的莫耳數乘上等體積莫爾比熱,再乘上溫度變化量?

先談一下熱能有兩種形式表現,一種是運動的幅度,像是振動幅度或是移動速度等,另一種則是熵值即狀態數的增加,運動幅度增加的熱能會改變溫度,熵值增加則可以在溫度不變時增加熱能,熱機是利用熵值增加與減少來吸熱放熱並對外作功。

等體積莫耳比熱是指在等體積條件下,每單位溫度每莫耳氣體分子的熱容量,等體積條件下氣體與外界沒有作功的交換,外界提供系統的熱能完全轉換成內能而提高系統溫度。另一種比熱是等壓力比熱,此時系統與外界保持固定壓力但可以有作功的能量交換,當外界提供給系統熱能時,系統的內能增加且溫度上升,同時系統會對外作功,因此等壓力變溫能造成更多的熱能變化。

汽油引擎與柴油引擎的運作中有一段熱力學過程不同,在那段熱力學過程中汽油引擎是等體積吸熱能,而柴油引擎是等壓力吸熱能。柴油引擎比汽油引擎扭力大,且柴油引擎能源轉換效能較高較省油(但排放廢氣汙染程度較嚴重)。

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