A-level 化学/AQA/模块 5/热力学/温度和热力学第零定律

温度和热平衡

从定义温度的概念开始讨论热力学似乎很合适，但是，我们首先应该注意日常生活中的一些直观概念。

温度是物质中粒子平均动能的度量。可以在系统中原子运动、温度以及例如一群球的运动之间进行类比。就像一群球被一个运动的球击中一样，热量（和球）往往会散开；想象一个人打台球击中一群台球。它们不会停留在同一个地方，而且，球撞击后，每个球的速度乍一看往往看起来相同。

那么这与热力学第零定律有什么关系呢？

首先，人类对温度有感知；我们可以感觉到冷和热的东西，并且我们历史上为这种感觉设定了一个数值（我们稍后会看到如何设定）。

然后，我们必须看看温度是如何变化的。假设我们有两升水分别处于不同的温度，例如 $T_{1}$ 和 $T_{2}$ 。当我们将它们混合在一起时，它们将达到一个新的温度 $T_{3}$ ，使得 $T_{1}<T_{3}<T_{2}$ 。因此，我们可以说温度的变化方向是朝着相等的方向。请注意，虽然情况并非总是如此，但我们说整个物体都有一个温度，因此两升水混合在一起是这两升水分离状态之间的完美混合。

我们不需要混合物体来使温度相等；经验告诉我们，相互接触的物体往往会达到相同的温度。因此，我们可以说当两个物体相互接触时，如果它们不改变温度，则这两个物体处于相同的温度，这称为热平衡。

当物体的温度没有差异时，两个物体之间就会达到热平衡。就像台球一样。

热力学第零定律

作为热力学平衡定义的直接结果，温度测量是传递的；因此，如果我们有三个物体 A、B 和 C，使得

T(A)=T(B)

以及

T(B)=T(C)

那么

T(A)=T(C)

.

这被称为热力学第零定律。

示例

茶可以用作热力学第零定律的示例。

假设我们有 60 摄氏度的茶和 25 摄氏度的环境。

茶会冷却，直到达到并与 25 度的环境相匹配。这杯茶展示了热力学第零定律。

温度计

我们应该说，如果我们能够将温度转换为可重复的数值，那么这个属性使我们能够构建一个温度计。在上面的示例（两升水演变成新的温度）中，我们使用了相同数量的水。温度标度基于将最终温度作为

T_{3}={\frac {T_{1}+T_{2}}{2}}

对于不同质量的水，我们将有加权平均值

T_{3}={\frac {m_{1}T_{1}+m_{2}T_{2}}{m_{1}+m_{2}}}

通过改变已知温度的水的质量 $T_{1},T_{2}$ ，我们可以通过这种机制获得它们之间任意温度，并校准另一种（更方便的）设备，将温度转换为可重复的数值。最常见的此类设备是水银温度计，它实际上是一个连接到细管（毛细管）的灯泡。人们观察到，水银在管中占据的空间随温度线性增加，因此

l-l_{0}=l_{0}\alpha (T-T_{0})\,

其中 $l$ 是占据的空间，而 $l_{0}$ 是在参考温度 $T_{0}$ 下占据的空间； $\alpha$ 是一个常数（线性热膨胀系数）。摄氏度选择温度 $T_{1},T_{2}$ 为水的凝固和凝结温度，将其设置为 $0$ 和 $100$ ，并将一度的测量定义为将此范围除以 100。相反，华氏度使用盐水的冰点作为刻度的 $0$ ，并将人体温度设为 96（水的凝固点设为 32 °F）。后来，这个刻度被修改为使水的凝结温度恰好比凝固温度高 180 °F。

需要注意的是，为了建立温度标度，人们使用了一种热稳定混合物，这种混合物可以在一段时间内保持恒定温度。使用正在发生状态变化的化合物很容易实现这一点，例如融化的冰：水处于冰的温度，因为它们处于热平衡状态；然后水会变得更热（以达到与空气的平衡），冰也处于这个过程中；当冰融化时，它会变成更多的水，从而稳定与现有水的平衡。此外，人们观察到在状态变化时存在异常现象：例如，水和冰之间的热平衡可以在凝固温度以上（液体）或以下（固体）达到，也可以在凝固温度本身达到，最终产物是液体和固体的混合物，或者仅仅是液体或仅仅是固体。这种现象被称为潜热，将在后面进一步描述。