A-level 物理学/力、场和能量/热物理学

热物理学研究物质在温度变化时发生的改变。

内能

当您加热材料时，它可能会改变状态。分子以更大的振幅振动，并彼此分离。材料已获得能量，您可以感觉到它变得更热。粒子动能和势能（由于它们更大的分离）的增加是我们所说的内能的增加。内能定义为

系统的内能是其分子随机分布的动能和势能的总和。

因此，材料温度升高意味着其内能增加。

热力学温度标尺

摄氏温度标尺取决于水的性质。0 °C 是水的冰点，100 °C 是水的沸点。这是一个相对标尺，因为它相对于水的冰点和沸点。然而，热力学温度标尺（用字母T表示）是绝对温度标尺，不依赖于任何特定物质的性质。它也与物质所具有的内能成正比。

绝对零度

这种温度标尺用内能来定义，以开尔文 (K) 为单位。0K 定义为物质具有最小内能的温度，是可能的最低温度。这个温度被称为绝对零度。就是在这个点上，分子停止振动，电子停止旋转和轨道运动。

开尔文和摄氏标尺 - 比较

在 K 和 °C 之间转换

开尔文标尺的刻度与摄氏标尺的刻度相同，因此 1 °C 的升高等于 1K 的升高。

$\Delta \theta$ K = $\Delta \theta \;^{\circ }$ C

这使得在两者之间转换变得很简单，如果您知道绝对零度是 -273.15 °C，您只需使用公式

$\theta$ K = $(\theta +273.15)\;^{\circ }$ C

来在 °C 和 K 之间转换。

物质的加热

当您对物质施加热量时，温度不会简单地呈直线上升。需要一些额外的能量来打破粒子之间的键。

能量和温度变化

如果我们以稳定的速度加热一块冰并绘制温度随时间的变化图，我们将得到以下图形

这种形状相当令人惊讶。您会期望这条线呈直线上升，没有您上面看到的任何间断。我们应该考虑水的分子在图形的每个部分发生了什么，以了解为什么会这样

• AB

冰的温度低于冰点，但温度正在上升。分子振动缓慢，但开始振动得更多。

• BC

在 273K (0°C) 时，冰处于熔点。分子之间的键断裂，分子具有更大的势能。这是熔化潜热。

• CD

现在，水温上升到沸点。分子振动得更多，并快速移动，因为它们的动能增加。

• DE

在 373K (100°C) 时，水现在处于沸点。分子完全从彼此分离，它们的势能增加。DE 比 BC 大得多，因为所有键都需要断裂才能形成气体。（汽化潜热。）

• EF

水现在是蒸汽，分子比以前移动得更快。它们的动能继续增加，因为能量不断供应。

在 BC 和 DE 部分，发生状态变化时，分子动能不增加，而是势能增加。提供的热量没有改变这些部分的温度，而是用于打破分子之间的键。

比热容

一些材料会比其他材料更快地升温。例如，金属是热的良导体，只要它们的质量相同，并且以相同的速率提供能量，铜就会比水更快地升温。

比热容可以告诉我们提高物质温度需要多少能量，定义为

物质的比热容在数值上等于使 1 kg 物质温度升高 1K（或 1 °C）所需的能量。

这可以表示为

$c={\frac {Q}{m\Delta t}}$

或重写为：

${Q}=mc\Delta T$

其中 ${Q}$ 是所提供的能量，$m$ 是物质的质量，$c$ 是比热容，而 $\Delta T$ 是温度变化。

测量比热容

要找到某物的比热容，我们可以控制所有可能的变量，然后用它们来计算。从上面的公式我们可以看出 $c={\frac {Q}{m\Delta T}}$。这意味着如果我们能向已知质量的材料提供已知的能量，并测量温度变化，我们就可以将这些值代入公式，得到比热容。

为了提供已知的能量，我们可以使用电加热器。你可能还记得电能可以通过 $E=IVt$ 求得，因此，通过测量电压、电流和电路接通的时间，我们将得到提供给材料的能量值。

在电路接通的同一时间段内，我们必须测量温度变化。可以使用普通的汞温度计，但建议使用带有计算机的温度传感器进行更精确的测量。

一旦我们以规律的时间间隔测量了温度和能量，我们就可以绘制 $Q$ 对 $\Delta T$ 的图像。我们可以计算斜率，确保在计算中使用尽可能多的直线部分，并将其除以材料的质量，得到材料的比热容。

比潜热

当你加热一种物质使其改变状态时，温度在改变过程中保持不变。不同的物质需要更多的能量才能改变状态。比潜热 将告诉我们一种物质改变状态需要多少能量，它被定义为

比潜热在数值上等于在不改变温度的情况下改变 1 kg 物质状态所需的能量。

这可以用以下公式表示

${l}={\frac {Q}{m}}$

或重写为：

$Q=ml$

其中 $Q$ 是所提供的能量，$m$ 是物质的质量，而 $L$ 是比潜热。

气体定律

气体有四个性质，它们彼此相关。这些性质是气体的压力、温度、体积和质量，这些关系用气体定律来表达。

玻意耳定律

玻意耳定律将气体的压力与它的体积联系起来。具体来说，它指出

在温度保持不变的情况下，一定质量的气体压力与其体积成反比。

这可以表示为 $p\propto {\frac {1}{V}}$ 或 $pV=constant$.

从分子水平上来看，你可以想象一下，气体粒子在一个特定大小的容器中与容器壁碰撞的次数，然后想象一下，当容器的大小减小而粒子数保持不变时，碰撞次数会增加。这被观察为气体压力的增加。

查理定律

查理定律将气体的体积与其在热力学温标上的温度联系起来，并且

在恒定压力下，一定质量气体的体积与其在热力学温标上的温度成正比。

这可以表示为 $V\propto T$ 或 ${\frac {V}{T}}=constant$.

要理解这一点有点困难，因为气体总是会占据其容器的全部体积。如果你考虑一下粒子被加热时是如何表现的，它会振动得更多，导致压力的增加，或者分子对容器的碰撞更剧烈、更快。然而，由于在这种情况下压力应该保持恒定，所以容器的体积需要增加。因此，通过提高气体的温度，我们已经增加了它的体积。

压强定律

在恒定体积下，一定质量气体的压强与其热力学温度成正比。

这可以表示为 $p\propto T$ 或 ${\frac {p}{T}}=constant$.

理想气体方程

$pV=nRT$

n 是气体的摩尔数，

R 是理想气体常数，R ≈ 8.314 J/(mol･K)

T 是以 K 为单位的绝对温度，

p 是以 Pa 或 Nm⁻² 为单位的压强，

V 是以 m³ 为单位的体积。

理想气体的性质

1) 它的粒子应该是单原子的

2) 粒子是无限小的

3) 粒子之间没有相互作用，因此所有能量都是动能。