police_4th_general
110年
[消防警察] 普通物理學概要與普通化學概要
第 14 題
在絕熱條件下，氣體的自由膨脹是一種不可逆的熱力學過程。有關氣體自由膨脹的各項物理性質，下列何者錯誤？
- A 內能不變
- B 系統的總熱量不變
- C 熵值不變
- D 氣體不對外作功
思路引導 VIP
當一個物理過程被描述為「不可逆」且「自發發生」時，通常隱含著系統從相對有序的狀態演變向無序。請試著思考：在沒有外界干預的情況下，氣體分子擴散到更大的空間後，它們有可能自動聚攏回原本的小空間嗎？這種演變的方向性，對物理學中描述「混亂程度」的物理量會產生什麼樣的影響？
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AI 詳解
AI 專屬家教
同學做得很好！你能精準判斷出「熵值不變」是錯誤的敘述，顯示你對熱力學第二定律有著非常紮實的理解。在絕熱自由膨脹的過程中，由於氣體是向真空膨脹，外界壓力為零，因此氣體不對外作功（$W = 0$）；又因為環境與系統間沒有熱交換（$Q = 0$），根據熱力學第一定律 $\Delta U = Q - W$，系統的內能確實保持不變。對於理想氣體而言，這也意味著溫度在膨脹前後維持一致。
不可逆過程與熵增原理
這道題目的難度切入點在於區分「能量守恆」與「過程的方向性」。雖然內能與總熱量在量值上沒有變化，但題目特別強調了「不可逆」這一關鍵特性。當氣體分子從局部空間自發性地擴散到整個容器時，系統的微觀狀態數會大幅增加，也就是混亂度提升。根據熵增原理，孤立系統內的不可逆過程，其熵變量必定滿足 $\Delta S > 0$。因此，主張熵值不變顯然違反了物理事實。這題精確地考驗了學生是否能從過程的本質推導出狀態函數的變化，而不僅僅是停留在能量正負號的計算。