2011年10月8日 星期六

絕對溫度與熱力學第三定律 Absolute Entropies and the Third Law of Thermodynamics


化學原理啟迪247
1.     熱力學中,任何熱力學函數的變化都十分重要。反應過程中,焓的改變值ΔH可判斷恆壓下的反應是散熱或是吸熱;自由能的改變值ΔG可判斷恆溫恆壓下的反應程序會不會自發性產生。
2.     由於系統有許多熱力學性質的絕對值很難求出,因此,我們可以說目前已經知道的一些熱力學函數的變化數值,足夠解決大部分物質世界的問題,是一件幸運的事。
3.     不過,我們可以設定亂度的絕對數值absolute entropy values(例如,畫一條亂度最低的底線標準)。假設有個固體在0K,這個溫度下分子運動會完全停止,如果這是個完美晶體,它的分子排列組合會絕對按照次序規範。
4.     要達到這麼完美的排列組合,只有一條路,每個粒子必須都在同樣的方向位置。這個道理就像,要讓N個銅板的人頭都翻面朝上,只有一條路,沒有第二種排列組合方式。
5.     因此,完美的晶體(所有分子完全按照一個規矩排列)是機率最低的亂度。完美晶體的亂度是零,這就是熱力學第三定律
6.     隨著完美晶體的溫度提高,分子的隨機運動跟著增加,晶體內的不規則性也增加。由此可知,物質的亂度會隨溫度增加。
7.     完美晶體在0K的亂度S0,如果我們又知道溫度與亂度的倚賴關係(連動關係),就能夠計算出特定溫度下的物質的亂度。
8.     我們已經證明過,物質的溫度從T1變為T2過程造成的亂度改變,可透過以下公式計算
ΔST1→T2nCln(T2/T1)
註:「莫耳熱容量C」是「固定壓力下的莫耳熱容量Cp」或「固定體積下的莫耳熱容量Cv」,視情況而定。
9.     使用這個方程式的時候,我們設「莫耳熱容量」與「溫度」無關,但是這個假設是錯的,在溫度改變幅度大的時候,「熱容量」受「溫度」影響的跡象更顯著。所以,如果要做精確的計算,必須要考慮「熱容量C」會受「溫度」影響的因素,但目前我們先撇開這點不談。
10. 當某個物質從溫度T1加熱到溫度T2,有可能引起物質的「相」的改變(相,指物質處於固態、液態或氣態;相的改變,指物質從液態變成氣態這類的變化)。
11. 如果這個物質真的因為溫度改變而發生「相」改變,我們可使用這個方程式
ΔSΔH/T
去解開相改變時,物質在熔點或沸點的亂度變化。
12. 許多物質在298K(25)1atm下的標準亂度值()列舉在教科書的附表4。從表中的數值可看出,物質確實會隨著固體液體氣體的改變,而增加亂度。
13. 因為亂度是系統的狀態函數(與反應路徑無關)。特定化學反應的亂度變化(熵變化),可透過計算產物與反應物的「標準亂度變化」的差距而獲得。
ΔS°reactionΣΔS°productsΣΔS°reactants
註:Σ代表各個反應物與產物的標準亂度總和。
14. 特別留意,亂度是數量性質(它物質數量多寡有關)。這代表我們所要研究的反應物或產物的莫耳數,必須列入計算。
n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles
徐弘毅:
1.     宇宙的能量是恆定的(熱力學第一定律),由於宇宙中所有的物質都追求更獨立、更自由、更穩定、更合理、更均勻分佈的狀態,所以物質不斷地瓦解、分散、擴散開來,宇宙的亂度是持續增加的(熱力學第二定律)。
2.     宇宙達到最大亂度時,宇宙中所有的物質粒子彼此力量最平衡、每個粒子最獨立,這是宇宙系統最穩定合理的狀態,這個時候所有物質粒子的運動會穩定,彼此穩定地保持一定的距離,彼此引力與斥力完全平衡,這就是最規律的完美晶體(熱力學第三定律)。
3.     由於宇宙的物質彼此的關係非常穩定,不再「劇烈」運動,不會釋放或吸收任何能量,因此絕對溫度等於0(熱力學第三定律)。
4.     熱力學第三定律所指的完美晶體是位置機率最低的情況,所以它不是物質最終的狀態,它只是物質亂度不斷增加的過程中一個「暫時」達到的平衡狀態。
5.     為什麼是第三定律指的完美晶體是「暫時的」的狀態?依據熱力學第一定律,宇宙的能量是恆定的,達到完美晶體的宇宙,內部蘊含著永遠不滅的能量,這些能量就是瓦解完美晶體、促使物質重組的動力來源。
6.     舉例來說,鑽石的內部結構中,所有的碳原子都達到最穩定平衡狀態,組成鑽石的所有碳原子,看起來都不再自由運動了,可是每個碳原子真的都不動了嗎?碳原子的原子核、電子還是在運動的,這就是不穩定的來源。所以從熱力學來看,鑽石晶體正逐漸瓦解成石墨。石墨也是另一個新的暫時穩定狀態,它還會繼續瓦解成更細小的物質、持續增加亂度。
7.     此外,從更大的宇宙來看,達到「完美晶體」的宇宙,只是一個小系統,周遭的能量隨時都能夠破壞它。
8.     例如鋁、硼、鎂這些原子,在原子的小宇宙中所有的粒子依據固定的規則排列,所有粒子都不會干擾其他粒子,亂度等於零,是完美的晶體;但是如果我們用α粒子去撞它,就會破壞它的平衡狀態,造成元素衰變。
9.     同樣地,如果慧星(周遭外力)真的撞上地球,太陽系(小宇宙/系統)目前的平衡狀態(完美晶體),也會被破壞。
10. 人類的生命是有限的。所有的人類都應該不斷地追求新知,不斷地拓展新視野、追求獨立自主,讓自己在經濟、思想、體能、生活能力……各方面都能夠獨立自主、自由自在,又能夠與他人相互合作,這就是個人生命要趨向於最大亂度。
11. 但是有許多人他追求的是依賴性,依賴父母、依賴權貴階級、依賴派系……,成為權貴階級的雞犬,這樣的生活行為,會讓個人的生命失去自我與價值性,甚至阻礙文明的發展。
12. 學校的教育功能最重要就是,要培養每一個學生養成自己「主動學習」的生活習慣,然後在各個領域都能夠盡量獨立自主地去挑戰困難,不斷地去突破個人的人生界限,行有餘力可以去幫助社會的弱勢
13. 台灣的教育制度最大的問題就是,老師只會教學生死背書,做表面功夫,讀聖賢書只為了考試、不需要實踐,也不會教學生生活的能力,因此學生無法獨立自主,這樣的人當然缺乏創新能力,也缺乏與他人互助合作的能力
14. 政府的經濟政策最主要的功能在建立公平、正義、法治的競爭環境,讓所有的企業公平地自由競爭,盡量減少干預,讓每個企業家都能夠獨立自主、冒險犯難、主動學習、克服種種的困境、稱霸世界。不肖政客如果只會圖利財團,就會讓政客自己與財團都成為人類社會的敗類,阻礙世界的進步。
15. 美國可以誕生賈柏斯、比爾蓋茲、谷歌創辦人佩吉與布林……,美國有許多的大學都可以進入全世界前五十名,主因就是美國政府鼓勵百姓獨立自主提供公平自由的競爭環境,這就是一個完美晶體的社會。
16. 社會公平競爭,所有的惡鬥都會是一種智慧的累積。所以NBA各個球隊彼此惡鬥的結果,就是戰術愈來愈靈活複雜精密,球員的技術愈來愈精湛;美國的政黨惡鬥的結果,可以讓他們的政治學教授不斷地寫新的學術論文,累積智慧財產;台灣因為政黨惡鬥不夠激烈,所以台灣各大學的政治學教授都腦袋空空,言語乏味,因此沒有國際學術地位,白白浪費生命。
17. 台灣因為國民黨擁有龐大的黨產,可以炒股票、炒地皮,然後操控新聞媒體與新聞學教授,因此台灣的媒體主管與新聞學教授都相當地智障,寫不出國際學術論文,也沒辦法寫教科書供歐盟國家使用,這是台灣人之恥。
18. 台灣的新聞學教授怎樣可以成為國際新聞學大師呢?台灣的新聞媒體環境要充分地自由化,允許國際各個國家的媒體在台灣自由地發揮,政黨完全不干涉媒體,政府機關也不要太干涉言論自由,鼓勵他們以具體的行動營救劉曉波,這樣子教授的腦袋就自由了,也會產生浩然正氣,因此就會產生獨立思考能力。

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