B98401081

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林姿君，B98401081
Thermal Dynamics and Thermography

一、主題描述

A. Thermal Dynamics

熱力學是一門關於能量轉換的科學，能量可以是熱，也可以是其他存在的能量形式。從第零定律到第三定律，熱力學利用許多概念、假設、和科學家歸納的定律來討論系統和變化的環境之間的互動，而最重要的概念便是熱力系統(Thermodynamic system)。
a. The 0th law of thermodynamics
如果A物和B物分別和C物達到熱平衡（等溫），則A物和B物也會彼此達到熱平衡。
b. The 1st law of thermodynamics
能量無法創造或是破壞，只能被傳遞。獨立的系統，內能是守恆的。重要公式：ΔU=Q-W。
c. The 2nd law of thermodynamics
能量無法自發性地從低溫的地方流到高溫的地方。
d. The 3rd law of thermodynamics
當系統接近絕對零度時，所有的運動幾乎停止，亂度(entropy)為極小值。

B. Thermography

熱成像。沒有接觸人體皮膚，沒有X光輻射，也不會造成任何傷害疼痛的檢測。利用偵測人體所輻射出的體熱，Thermogram會產生紅外線熱成像(infrared images)，醫生藉此知道身體是否有異常的地方，觀察紅外線熱成像，分析不對稱性(asymmertries)。身體異常所造成輻射熱的改變會直接呈現在Thermogram上面，像是乳房纖維囊腫疾病、癌症、感染、發炎、外傷甚至是曬傷，都會讓熱成像圖片出現異常的景像。

二、物理原理

A. Thermal Dynamics: Isochoric Process, Isobaric Process, Isothermal Process

a. Isochoric Process

定容過程表示系統體積不變。代入ΔU=Q-W：
W=PΔV，因ΔV=0，所以W=0，得到ΔU=Q=mCVΔT。
b. Isobaric Process

定壓過程表示系統壓力不變。代入ΔU=Q-W：
Q= mCPΔT ，W=PΔV，所以得到ΔU= mCPΔT- PΔV。
c. Isothermal Process

等溫過程表示系統溫度不變。代入ΔU=Q-W：
因為溫度不變，ΔT=0，所以

最後得到

B. Thermography

利用紅外線兩個與可見光不同的特性：一是紅外線和熱能傳遞有關，有明顯熱效應；二是紅外線輻射與物質分子熱運動頻率一致時，入射的紅外線輻射可以被物體分子吸收，而物體分子吸收紅外線輻射後自身的熱運動得到加強，表示物體溫度升高。因為構成物質的分子都是由帶電粒子組成，當它們做熱運動時，相對應的偶極矩發生變化，會產生電磁波。這種由物體溫度決定的紅外線波段電磁輻射被稱為熱輻射，溫度越高，熱輻射功率越大。
能吸收紅外線輻射的物體也能發出紅外線輻射，幾乎所有物體（包括人體）只要溫度大於絕對零度，都不斷地吸收和發射出紅外線輻射，遵守紅外線輻射定律。也因此可以利用紅外線的特性在生醫方面，也將在下文介紹。
維恩位移定律指出：黑體的峰值輻射波長與黑體絕對溫度成反比，即λmT=C（λm是黑體的峰值波長，T是黑體的絕對溫度，C是一個常數等於2897.8i）也就是說，物體的熱輻射是波長和溫度的函數，溫度越高，輻射能量越大，峰值波長則向短波方向移動。根據此定律，只要知道物體的絕對溫度，就能計算出它的峰值輻射波長，正常人體為37°C，為310K，按公式計算，人體的峰值輻射波λm為9.348i m。

三、生醫應用

Breast Thermography 利用熱成像幫助診斷過程中早期發現乳腺癌。癌變組織周圍的乳腺癌細胞的化學和血管活躍性會比正常細胞高出許多，因為癌變組織有高度代謝，需要豐富的營養物質供應，以維持增長，所以細胞釋放出化學物質讓血管保持擴張，也促進血管新生的現象，而這個過程中增加了表面體溫。利用超敏感的醫療紅外線相機和精密電腦檢測分析，產生高解析圖像，提供觀察溫度變化。In order to do this they increase circulation to their cells by sending out chemicals to keep existing blood vessels open, recruit dormant vessels, and create new ones (neoangiogenesis).此外熱成像圖(Thermogram)用於乳癌檢測優於乳腺X光造影(Mammogram)。
程序標準程序的一開始會先用肉眼檢查乳房表面，然後等待十五分鐘讓體溫達到平衡穩定狀態後，就做到成像系統前，成像範圍包括：整個乳房面積，胸部上方，上臂。