第二章气体固体和液体

第二章气体、固体和液体

物体是由大量分子组成的，分子在做永不停息的无规则运动，分子之间存在着相互作

用力。这些因素决定了分子的三种不同的聚集状态：气体、固体和液体。物体处于不同状

态时具有不同的物理性质。

人类对物质属性的认识是一个不断从宏观到微观深入的过程。因此，人们对新材料或

传统材料新功能的开发和研制也从未停止过。从远古的石器时代，到后来的青铜器时代、

铁器时代，新材料在人类文明进程中扮演了重要的角色。

要•推论宏观物肽的表现,就必须采用统计方法,由对个体原子（分子）

物理参量的适当统计平均，来得出支配宏观行为的规律。

第二章1温度和温标

问题?

假如一个容器用挡板K隔开，容器中的气体被分成A、B两部分，它们的压强分别为

pApB温度分别为TATB打开挡板K后，如果容器与外界没有能量交换，经过一段时间后,

容器内的气体会是什么状态？

K

PA»7A〃B、Th

AB

状态参量与平衡态

研究某一容器中气体的热学性质，其研究对象是容器中的大量分子组成的系统，这在

热学中叫作一个热力学系统(thermodynamicsystem),简称系统。系统之外与系统发生相

互作用的其他物体统称外界。例如，用酒精灯加热容器中的气体，把气体作为研究对象，

它就是一个热力学系统，而容器和酒精灯就是外界。

在力学中，为了描述物体(质点)的运动状态，我们使用了物体的位置和速度这两个物

理量。在热学中，为确定系统的状态，也需要用到一些物理量，这些物理量叫作系统的状

态参星(siateparameier)。例如，为了确定系统的空间范围，要用到体积V这是一个几何参星;

为了确定外界与系统之间或系统内部各部分之间力的作用，要用到压强p,这是一个力学参

量；而要确定系统的冷热程度，就要用到一个热学参量——温度T。

描述系统状态的定量分析通常具有挑战性，原因在于系统的某些参数可能会随时间发

生改变。然而，在没有外部干扰的情况下，如果系统经过足够长的时间，其内部各个部分

的状态参数将达到稳定状态。这种稳定状态被称为平衡态，而任何不处于此状态的情况都

可以被视为非平衡态。

当系统处于平衡态时，系统所有状态参量都不随时间变化，我们就能比较准确地描述

系统的状态。在中学阶段，我们主要处理平衡态的问题“

热平衡与温度

上面所说的平衡态，指的是一个系统的状态参量不再改变。下面我们要研究一个系统

与另一个系统相互作用的问题。

当两个系统相互接触并发生传热时，它们的状态参数将相互影响并发生改变。经过一

段时间后，各自的状态参数将不再发生变化，这表明两个系统已达到平衡状态。这种平衡

状态被称为热平衡(ihermalequilibrium)。

实验表明：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也

必定处于热平衡，这个结论称为热平衡定律。

热平衡定律揭示了这样一个事实：当两个系统A和B达到热平衡状态时，它们必然具

有某些共同的热学特性。我们将描述这种“共同热学特性”的物理量称为温度(temperature)。

换言之，温度是决定一个系统是否达到热平衡的关键参数，其特点是“达到热平衡的系统具

有相同的温度”(参见图2.1-1)。下表列出了一些已知的温度数据。

图2.1-1两个系统的热平衡过程

实验室已经获得乙烘火焰的温度汞金属超导转变

的最高温度温度

太阳中心的温度地面上观测到的最实验室内已经获

低气温（南极）得的最低温度

表人们已观测的温度

与温标

如果要定量地描述温度，就必须有一套方法，这套方法就是温标（thermometricscale）o

在确定一个温度标准时，首先需要选择一种测温物质，并根据该物质的某种特性来制

造温度计。例如，可以利用水银的热膨胀特性来制作水银温度计，此时我们规定细管中水

银柱的高度与温度之间存在线性关系。此外，还可以根据气体压强随着温度的变化来制造

气体温度计（如图2.1-2所示），等等。

图2.1-2伽利略的温度计

在确定了测温物质及其用于测温的特定性质之后，我们还需要确定温度的零点和分度

方法。例如，摄氏温度标定曾规定，在标准大气压下，冰的熔点为0。。水的沸点为100℃o

基于此，我们将玻璃管上从0℃刻度到100。（2刻度之间的区间均匀划分为10。等份，每一

份被定义为l℃o

热力学温标是一种理想温标，表示的温度叫作热力学温度（thermodynamictemperalure）,

它是国际单位制中七个基本物理量之一，用符号T表示，单位是开尔文（kelvin）,简称开，符

号为Ko

1960年，国际计量大会确定了摄氏温标与热力学混标的关系：摄氏温标由热力学温标

导出，摄氏温标所确定的温度用f表示，它与热力学温度7的关系是

T=r+273.15K

根据国家标准，在表示温度差的时候可以用摄氏度（℃）代替开尔文（K）,即1C与

1K相等。因此这个式子中7的单位用K,，的单位用C,

科学漫步

形形色色的温度计

自伽利略制造了第一个温度计以来，温度不再仅仅是一个主观感受，而是成为了一个

客观的物理量。根据物质与温度相关的某种性质，人们制作了多种温度计。例如，双金属

温度计是通过将两种线膨胀程度不同的金属片压合在一起制成的。当温度发生变化时，双

金属片的弯曲程度也会发生改变，从而驱动指针偏转以指示温度（图2.1-3）。

固定点

图2.1・3双金属温度计

热电偶温度计是根据不同导体因温差而产生电动势的大小不同来制作的。热电偶测温

的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就

会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动务，这就是所谓的塞贝克效应。

热敏电阻温度计是利用某些半导体材料制作的，其电阻随温度的变化比导体更明显，但热

敏电阻的稳定性差，主要用于低精度的测量。

待测温度T2

图2.1-4热电偶温度计的原理

压力表式温度计是根据气体压强与温度变化的规律制作的。某些铁磁性物质的磁性强

弱与温度有关，因此磁性的强度可以作为温度的标志。声音在介质中的传播速度与介质的

温度有关，声速也可以作为温度的标志。一些晶体（如石英）的固有频率与温度有关，频率

也可以作为温度的标志。基于这一思路，相继研制出了磁温度计、声速温度计和频率温度

计等，并各自发挥着作用。

练习与应用

在这段描述中，涉及•‘热平衡''概念的地方是：“当水温不再上升时，这就是金属块与水

的共同温度.”

这是基于热力学中的热平衡原理。在热平衡状态下，系统的内能均匀分布，没有净能量流

动。在这个过程中，金属块和水的温度达到了一致，即达到了热平衡状态。

2.天气预报某地某日的最高气温是27℃,它是多少开尔文？进行低温物理的研究时,

热力学温度是2.5K,它是多少摄氏度？

3.已知某物理量X与热力学温度T成正比，请把这个关系等式表示出来。现在用摄

氏温度t来表示温度，这个关系式又该怎么写？分别画出X-T图像和X-t图像的草图。