热平衡 热力学第零定律

             

  • 本词条处于草稿阶段.

1. 热平衡

   热力学研究的对象是一个由大量微观粒子(分子或其他粒子)组成的一个宏观物质系统(例如一个绝热容器中的气体).经验指出,一个孤立系统(与外界没有物质和能量交换的系统)若放置得足够久,将会达到这样一种状态——系统的各种宏观性质(例如温度、压强、化学势等物理性质和化学性质)在长时间内部发生任何变化.这称为热力学平衡态.

   一般来说,热平衡的具体要求有热学平衡、化学平衡和力学平衡.简单地来说,就是系统内温度处处相等,没有外场的情况下压强处处相等,化学组成处处相同.这些都是宏观可观测的性质,例如热学平衡意味着没有热流,力学平衡意味着没有粒子宏观流动,而化学平衡意味着没有扩散.对于等温大气模型,虽然不同高度不等压,但由于重力场,气体仍处于力学平衡状态,没有粒子宏观流动,所以也是热平衡系统.

   对于非平衡系统,我们可以假定局域平衡,即把系统划分成很多个子系,这些子系包含足够多的粒子,而且又足够小,使得热力学参量(如压强、体积、温度)处处相等.用这种方法,我们也可以非平衡系统作宏观描述.

2. 热力学第零定律

   当我们提及温度,我们会认为它是度量了一个系统的冷热程度的物理量,或者说这个物理量衡量了系统自发放热的能力(温度越高,那么它的放热能力应当越强.但这些都是基于经验的 “直觉”,并非温度的定义.要考虑温度,我们必须思考热平衡系统的 “属性” 以及不同系统之间的关系.

   为了阐释清楚温度概念,人们提出了热力学第零定律: 若物体 $A$ 与物体 $C$ 达到热平衡(将它们接触时没有 “热量” 传递,表征为宏观性质没有发生变化),且物体 $B$ 与物体 $C$ 也达到热平衡,那么 $A$ 和 $B$ 之间同样有热平衡.上面的 $A,B,C$ 可以替换成装有气体的导热容器,定律仍然成立.

   这意味着我们可以引入一个物理量(称它为 “温度”),用同一个 “温度” 值来标定一切处于热平衡的的物质.因此热平衡定律指明了比较温度的方法.

图
图 1:热力学第零定律

   过去人们一直将温度概念和热量联系起来;人们将 “热” 看作一种实体物质,认为温度高的物体有较多的热量.19 世纪 40 年代,这一错误概念得以澄清,温度与热量这两个概念得以区分.在微观上,温度是处于热平衡系统的微观粒子热运动强弱程度的量度.我们必须对温度概念作出更严格的定义

  

未完成:温度计的概念

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