熱學與統計物理學的重要性

熱學與統計物理學的重要性
   
陳育霖

    物理學是自然科學的基礎，當今眾多科學技術的發展依賴物理學的知識。自從人類點起第一把火，順利脫離茹毛飲血的日子，熱就成了文明的重要推手，與生活息息相關。
熱物理這門學問，從追溯到西元前1500年西亞的西台人(Hittite)能夠使用最早的鐵器開始，成功地由改良蒸汽機開始推動工業革命、冷氣與冰箱壓縮機發明、日常生活的3C產品散熱系統，深遠影響人類文明進展。

    熱學是物理學當中相當重要的一環，當中的概念一直是物理學家天天都需要運用的基本參數，但是發展過程當中，熱與溫度的概念要成為嚴謹定義的物理定律，還真是經過了幾番波折。

    1592年義大利科學家伽利略嘗試製作發明溫度計，是溫度量測的濫觴。十八世紀英國的醫生約瑟夫•布拉克(Joseph Black)最早發現水變成水蒸氣的汽化熱以及冰變成水的熔化熱，並且不同物質有不同的比熱大小，說明物質受熱之後的溫度升降程度。

    1798年倫福德(Count Rumford)針對鑽砲管的過程，指出當時普遍認為熱是種物質說法，在實驗中得不到合理解釋。儘管不被當時學者所公認，但隨後在19世紀，經過焦耳(James Prescott Joule)、梅爾(Julius Robert Mayer)、亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)的延伸擴展，終於發現能量守恆定律(熱力學第一定律)。之後法國卡諾(Carnot)研究熱機，再經過凱爾文爵士(Lord Kelvin)解釋及克勞休斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)引入的熵(entropy)的概念加以重新詮釋，得到熱力學第二定律。其中熵的概念對於物理學及其他科學領域有深遠意義與影響。

    波茲曼(Ludwig Boltzmann)等人發展統計物理學，更進一步提供了理論架構，讓物理學家順利游走在微觀物理狀態(例如：動能、位能)與宏觀尺度物理量統計規律(例如：壓力、體積、溫度、狀態方程式等)之間，之後普朗克對於熱輻射的研究甚至開啟了量子力學，加速近代科技的進步。所以統計力學成為物理學中四大力學之一。熱力與統計力學應用的領域廣泛遍及物質科學、生命科學、金融、訊號處理、生物醫學統計。