第一章 温度

第一章温度

教学目的要求：

1．着重理解和掌握平衡态、温度的物理意义。

2．着重介绍理想气体温标，并掌握理想气体温标和热力学温标的一致性。3．复习气体的实验定律，加深对理想气体的认识。

4．实际气体的状态方程的一种方法（昂尼斯方程）

§1，平衡态和状态参量

一、普通热学的研究对象

在绪论中就讲过，普物热学的研究对象就是由大量微观粒子组成的宏观系统。本章我们先是用热力学的方法来进行讨论，所以暂不涉及系统的结构和微观运动，而且着重气体。另外，在绪论中已讲过，热力学的核心线索是能量及其交换，所以我们以能理交换的角度出发，将宏观热力学系统又分成三大类。

1、开系：热力学系统与外界既有物质交换，又有能量交换。

例如：化学反应，敞开的容器在蒸发同时又在吸热，……开系是广泛存在的。

2、闭系：热力学系统与外界无物质交换，有能量交换。

例如：各种容器中的气体、液体，由于器壁的阻挡没有物质交换，但可交换热量。闭系是客观存在的，但毕竟受了限制。因而比开系少。

3、孤立系统

与外界既没有质量交换又没有能量交换的系统称为孤立系统。

这就意味着系统与外界没有相互作用。这与实际情况是不合乎的，因为严格的无相互作用不是存在的。所以，孤立系统是一个理想模型，在相互作用微不足道时，可略去相互作用而作为孤立系来处理。

我们要广泛研究热力学系统太困难，因为质量和能量的交换过程和数量关系可以很复杂，并且还受环境所左右，从而不易突出热力学系统的本性，本着从简单到一般，从特殊到一般的研究方法，我们必须首先致力于孤立系统的研究，揭示出热运动的本性，再逐渐向一般情况推进。

所以，孤立系统虽是一个理想模型，但却是我们学习的起点，有重要的理论意义，我们本章就主要讨论孤立系统的基本问题。

二、平衡态

1、定义：一个孤立系统经过足够长的时间后，系统的各种宏观性质在长时间内

不发生变化，这样的状态叫平衡态。

理解这个定义必须注意以下几点：

⑴必须是孤立系统。这是根本条件，换言之“不受外界条件”为条件。

即是说平衡态是系统内部微观粒子热运动的结果，而不是外界作用的结果，从而是孤立系统的固有属性。

离开了这个条件。也能实现宏观性质长时间不变，但这不是平衡态，只能叫稳态。

例1：P7图1-1图1-2

图1-1：这种情况是没有外界的自由膨胀，最后将达到平衡态,

图1-2：密闭容器内液面上有饱和蒸汽，最后也能达到平衡态，

注意：这里都有一个隔绝外界作用的隔板，其内部就是孤立系统所占空间。如果我们把条件变一下。例如将图1-2换成玻璃容器，周围又有温度变化，还能维持平衡态吗？

例2：一金属杆，一端接沸水，一端接冰，而两端的温度能长时间稳定不变，则杆上有一个稳定不变的温度分布。即宏观性质长时间不变，但却不是平衡态，为什么？

⑵、平衡态下，虽宏观性质不随时间变化，但孤立系统内部的大量微观粒子却在永不停息的运动。

只是运动的平均效果不变。所以热学中的平衡是一种动态的平衡，称热平衡。这与力学中的平衡是截然不同的。

请同学们列出热学平衡和力学平衡的主要区别（△r ,△v，a）

⑶、系统宏观量的数值可以发生微小的变化，可以比平均值大或小，这种现象称为涨落，这是热现象所特有的。

涨落在一般条件下很微小，只有在适当条件才看得到，并且可自动回到平均值，这是统计规律的必然表现，以后我们要专门讨论，这里不讲了。

顺便提下，在一些特殊情况下，由于外界的一个微拢，涨落的影响可变得非常强烈，由此引起一系列奇异的现象，形成所谓的“自组织”过程或耗散结构，已远远离开了平衡态，属于另一范畴的问题。

平衡态是一个很重要的概念，是热力学的理论基础，所以我们必须对平衡态进行较为详尽的讨论。

2、平衡态的描述

力学中，对于一个质点，我们用（r，v）来代表它的运动状态，热力学中，系统中有大量的粒子，则需要（r1,……，r n；v1……v n）来代表热力学状态，但作为热力学，不涉及系统的微观结构，也就不能用（r，v）来描写其状态，而且作为宏观态，是微观的集体表现，应当有一个量来反映这种关系，所以与力学的描述方法不同，热力学系统的状态一般由以下几种参量来共同描述。

（1）几何参量：表示空间延展范围

热力学中所关心的几何参量是体积V

1m3=103ml=106ml

（2）力学参量：分子碰撞时的相互作用，其平均效果对应的是力学参量。

热力学中的关心的力学参量是压强P

1atm=1.013*105Pa=76cmHg

（3）化学参量：系统内可能有不同粒子，以示区别用化学参量。

热力学中不考虑化学反应，所以系统的组分不变，因此应关心

每一组的质量或摩尔数：M(kg)，M/µ，注意µ =____kg

（4）电磁参量：若将来系统放在电磁场中，还要考虑电磁作用。

（5）热学参量：反映系统内部微观粒子运动的剧烈程度，这是热现象中特有的，它就是温度T

其实，到底用几个参量才能完全描述系统的热力学状态，要根据条件加以选择，一般地需要上面五种参量来描述系统热力学的平衡态，但有时候，以用（P、T、V）加上M或M/µ就能完全描述系统的热力学平衡态，这样的系统称为简单系统，我们就以这里开始讨论，无需再加说明。P、T都是由系统内部的微观运动所决定的，应当用分子物理学的方法才能从本质上加以说明，这在稍后的第二章来讨论。但是历史上早就注意温度这个量了。热力学方法也对温度进行了讨论，所以，我们来看下一节。

§2、温度

温度最早是建立在感觉上的，如我们初中早期课本上所说的，温度是物体的冷热程度，这种定义非常肤浅。温度高的物体热反之就冷，这似乎很自然，但作相反的规定在逻辑上并没有错，却与人们的生活经验不相符了，更主要的是这种感觉代有主观意识，并没涉及温度的物理本质。

热力学对温度概念的建立和定量测量都是以热平衡现象为基础的，我们就从这里开始。

一，热接触和热平衡

1．热力学第零定律：

我们都有这样的经验，一块铁和一杯水可以有各自独立的不同的平衡态，后来将烧红的铁块丢进水里，铁块变冷，水变热，各自的状态都发生了变化，经过一段时间后铁块和水达到了相同的平衡态，只要不受外界影响，这个状态就不再发生变化。

这里注意：铁块和水必须接触并能传热，即要能过热接触。

通过热接触达到的平衡态叫热平衡。

如果接触以前温度相同，会有什么情况发生？