大學物理：第1章 平衡態(tài)和狀態(tài)方程

1熱學2熱學第1章熱力學系統的平衡態(tài)及狀態(tài)方程(2.0)第2章熱平衡態(tài)的統計分布律(4.0)第3章近平衡態(tài)中的輸運過程(2.0)第4章熱力學第一定律第5章熱力學第二定律和第三定律第6章單元系的相變與復相平衡3引言熱學研究內容：1.物體熱運動的(性質和)規(guī)律；2.熱運動對物體宏觀性質的影響；3.熱運動與物質運動其他形式之間轉化規(guī)律。熱運動：組成宏觀物體的大量微觀粒子的永不停息的無規(guī)運動。研究對象：由大量微觀粒子組成的熱力學系統。研究方法：宏觀和微觀兩種。熱力學研究物質熱運動的宏觀理論統計物理學研究物質熱運動的微觀理論4宏觀：根據大量觀測事實，通過比較嚴格的邏輯推理和演繹，歸納總結出關于物質各種宏觀性質之間的關系以及宏觀過程行為的方向、限度的規(guī)律。——得到的規(guī)律為熱力學定律優(yōu)點：得到的結論是可靠的、普適的。缺陷：不能揭示宏觀規(guī)律的微觀本質。微觀：從系統由大量微觀粒子組成的前提出發(fā)，根據一些微觀結構知識，把宏觀性質視為微觀粒子熱運動的統計平均效果，運用統計的方法，找出宏觀量與微觀量的關系，確定宏觀規(guī)律的本質。——統計力學方法二者相輔相成，彼此聯系又互相補充優(yōu)點：認識比較深入。缺點：微觀模型本身存在假設，與實際情況有一定的出入5熱力學系統狀態(tài)平衡態(tài)近平衡態(tài)非平衡態(tài)熱力學第一定律（第一類永動機不能實現）熱力學第二定律（第二類永動機不能實現）熱力學第三定律（絕對零度不可實現）宏觀描述微觀描述相相變基本規(guī)律熱力學第零定律（溫度計可以制造）第一章平衡態(tài)和狀態(tài)方程1.1物質結構的基本圖像1.2熱力學系統及其狀態(tài)參量1.3平衡態(tài)的概念1.4

溫度和溫標1.5狀態(tài)方程與理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的壓強公式和狀態(tài)方程范德瓦耳斯狀態(tài)方程671.1物質結構的基本圖象1.物質由分子、原子等微觀粒子組成的；分層次的2.物質的分子、原子處于永不停息的無規(guī)則的熱運動狀態(tài)3.分子之間存在相互作用力分子之間有吸引力固體、液體很難被壓縮分子之間存在排斥力分子之間相互作用力分為：吸引力和排斥力兩部分氣體冷卻或壓縮可以形成液體1.當r<r0，分子間有強大排斥力2.當r>r0，分子間表現為吸引力3.r，0，f0，分子成為自由粒子8物質的微觀理論—分子間相互作用結合能平衡位置10-10m0.1～5eV離子鍵共價鍵范德瓦爾斯鍵氫鍵9Brownianmotion英國植物學家布朗(R.Brown)在顯微鏡下觀察到懸浮在靜止液體里的花粉不停地做無規(guī)則運動。10物質的微觀理論—分子熱運動愛因斯坦(1905年)和斯莫陸綽斯基(Smoluchowski,1906年)、郎之萬(Langevin,1908年)關于布朗運動的理論工作，證明了布朗粒子位移平方的平均值正比于時間t1908年皮蘭(Perrin)實驗證實Fig.1FluctuationofHSIduringtheperiodJan.3,1994toNov.30,2000.Theperiodischaracterizedbythe1995‘bearishmarket’andthe1997-98crash.StevenZhucoolingandtrappingatomsusinglaserlight證實原子存在的人11物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)勢能Ep動能Ek><≈12物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)氣體——非凝聚態(tài)，分子位置相互間沒有關聯直徑10-10m間距10-9m273K時，N2平均速率400m/sH2平均速率1700m/s13完美晶體離子鍵共價鍵金屬鍵范德瓦耳斯鍵氫鍵物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)14晶體與對稱性7個晶系14種Bravais格子旋轉，鏡面32個點群平移群230個空間群平移15準晶體完美的晶體只具有1，2，3，4，6次對稱軸D.Shechtman,I.Blech,D.Gratias,andJ.W.Cahn,"Metalicphasewithlong-rangeorientationalorderandnotranslationalsymmetry,"Phys.Rev.Lett.

53(1984)1951-1953.

1984年,Shechtman等在尋找既輕又硬的Al合金中,在急冷的Al-Mn合金中獲得了具有五重對稱,斑點明銳的電子衍射圖,定出其點群為m35.準晶體郭可信:五次、八次、十二次對稱PenrosePattern16新型晶體光子晶體納米材料17非晶體18物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)流體分子間相互作用不可忽略，又不像固體那樣緊密束縛，可以用范德瓦耳斯方程定性描述液體液體——稠密的氣體19表面張力201.2熱力學系統及其狀態(tài)參量1.熱力學系統及其分類1)系統與外界系統：由大量微觀粒子組成的在給定范圍內體系外界：與熱力學系統發(fā)生相互作用的其他體物體或者體系2)熱力學系統的分類

根據系統與外界的關系分類開放系統——既可以有物質交換又有能量交換封閉系統——無物質交換但可能有能量交換孤立系統——既無物質交換又無能量交換

根據系統的組成成分來分單元系多元系

根據系統組成的均勻性對熱力學系統進行分類單相系復相系2.熱力學系統的狀態(tài)參量幾何、力學、電磁學、化學和熱學21熱力學系統與外界的關系熱力學系統環(huán)境粒子源物質交換封閉系熱源絕熱系熱量功力開放系孤立系信息等其他作用絕熱壁221.3平衡態(tài)的概念氣體擴散非平衡態(tài)：平衡態(tài)：穩(wěn)定態(tài)：在沒有外界影響的情況下，系統各部分的宏觀性質可以自發(fā)地發(fā)生變化的狀態(tài)。在沒有外界影響的情況下，系統各部分的宏觀性質長時間地不發(fā)生變化的狀態(tài)。在外界影響下，系統的宏觀性質長時間地不發(fā)生變化的狀態(tài)。100C00C0經過足夠長的時間后，系統的各部分分別具有確定的溫度。穩(wěn)定態(tài)和平衡態(tài)的區(qū)別在于是否存在外界影響。23說明：1)平衡態(tài)充分必要條件：沒有外界影響，宏觀性質長時間保持不變只有當系統處于平衡態(tài)時，狀態(tài)參量才有確定的意義和數值2)在微觀上看，平衡態(tài)是熱動平衡。宏觀性質存在小幅度的漲落3)平衡態(tài)的具體表現：力學平衡壓強均勻熱平衡溫度處處相同化學平衡無宏觀粒子流動、濃度相同、化學反應達到平衡、無化學成分變化、無物相變化等。244)平衡態(tài)是一個理想概念。弛豫時間：熱力學系統由初始的非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)所

需要的時間。特征時間：某一擾動或者操作所需要的時間。系統的特征時間>>弛豫時間活塞運動時間(特征時間)在1~0.1s，

氣體內部弛豫時間10-2~10-3s

則系統的每一個瞬時都可看成處于平衡態(tài)。251.4溫度與溫標1.溫度表征物體的冷熱程度AB導熱板

兩個冷熱不同的物體通過長時間熱接觸宏觀性質不再變化的狀態(tài)稱為熱平衡，此時稱兩個物體具有相同的溫度。ABC若A和

B、B

和C

分別熱平衡，則A

和C一定熱平衡。

(熱力學第零定律)處在相互熱平衡狀態(tài)的系統擁有某一共同的宏觀物理性質——溫度相同26熱力學第零定律是關于溫度相同的最基本的原理，并闡明了判斷不同物體溫度高低的方法的基本原理。熱力學第零定律名字的由來1939年否勒（R.H.Fowler)八十多年前，熱力學第一定理、熱力學第二定律已經被提出！從邏輯和熱學的概念、規(guī)律的基本程度上看，該原理應在熱力學第一、第二定律之前，所以將熱平衡定律稱為熱力學第零定律。可將C作為溫度計，將C的某一狀態(tài)參量值與溫度聯系起來，則通過C與A，B分別接觸后達到的熱平衡狀態(tài)時C上引起的不同變化可以確定AB溫度的相對高低272.溫標溫度的數值表示法。建立溫標的三要素：1)測溫物質氣體、液體、固體均可。2)測溫屬性用來標定溫度的物理量。選取與溫度有顯著的單值函數關系的物理量；氣態(tài)：體積或者壓強作為測溫屬性。固體：通常選用電阻、發(fā)光強度等作為測溫屬性。3)固定標準點為標定溫度的數值所規(guī)定的標準點及其相應的溫度值。28(1)經驗溫標不同溫度計測得的溫度不同！二氧化碳定壓水銀鉑-鉑銠熱電偶鉑電偶攝氏:水冰點0C，水沸點100C華氏:冰和鹽水混合物0F，水沸點212F由經驗溫標確定的溫度缺乏共同的標準，需要尋找與測溫物質無關的標定溫度的方法。不同溫度計相對于氫定體溫度計的偏差規(guī)定測溫屬性與溫度之間滿足線性關系29(2)理想氣體溫標對于一定量的理想氣體，在體積不變時，有對于一定量的理想氣體，在壓強不變時，有Ttr=273.16K，

Vtr，ptr為水的三相點的體積、壓強。水的三相點(triplepiont)Ttr冰、水和水蒸氣三相共同存在并達到平衡的狀態(tài)。規(guī)定標志溫度變化的物理量與溫度之間滿足線性關系30當氣體越稀薄，發(fā)現不同氣體所測溫度的差別越小，當p0時差別趨于零用定體氣體溫度計測量水的汽點溫度時，三種氣體在不同時的溫度讀數這樣建立起來的兩個溫標是完全一致的，叫理想氣體溫標。31理想氣體：壓強極低情況下的氣體。理想氣體溫標用T表示，單位為開爾文(Kelvin)，記為K。理想氣體溫標與所用的工作物質的化學組分無關，

即不依賴于具體的氣體。與攝氏溫標之間的關系為T(K)=273.15+t(C)(3)熱力學溫標(絕對溫標)在熱力學第二定律的基礎上可以建立不依賴于任何測溫物質的

具體測溫屬性的溫標可以證明在理想氣體溫標適用的溫度范圍內，理想氣體溫標是熱力學溫標的具體實現形式。(4)國際適用溫標通過約定一系列物質的溫度的固定點、特殊溫區(qū)作為標準測量用的內插儀器及其測溫屬性形成國際實用溫標321.5狀態(tài)方程與理想氣體的狀態(tài)方程1.狀態(tài)方程的基本概念一個均勻的熱力學系統，物質的量一定體積V，壓強p和溫度Tp-V-T系統狀態(tài)方程是指系統處于平衡態(tài)時，各參量之間的函數關系或者狀態(tài)參量態(tài)函數熱學中常用的熱力學態(tài)函數還有內能U

、焓H、熵S

、

自由能F

和自由焓G

等。33純物質的p–V–T

圖(a)溶解時膨脹的物質如CO2的p–V–T曲面的一般形式(b)溶解時膨脹的物質如CO2的p–V平面上的物態(tài)342.理想氣體狀態(tài)方程1)1mol理想氣體的狀態(tài)方程2)對于vmol理想氣體3)對于質量為M的理想氣體4)對于有幾種組分組成的均勻混合理想氣體其中，稱為道爾頓分壓定律(混合氣體的壓強之和等于各組分氣體壓強之和)。/nju://mju:/理想氣體的條件:Ⅰ)組成氣體的微觀粒子都是質點，并遵從牛頓力學定律；Ⅱ)粒子之間除碰撞的瞬間外無相互作用；Ⅲ)粒子之間的碰撞、粒子與容器之間的碰撞都是完全彈性碰撞理想氣體是“永久氣體”35理想氣體方程描述的氣體，由于沒有分子之間的的相互吸引力，無法凝聚起來，不會發(fā)生從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的相變。36例1

C的導熱性能很差，很細，其容積可以忽略不計。測量時，先把溫度計在室溫T0下充氣到壓強p0并密封起來，然后將B侵入待測物質。設B中氣體與待測物質達到平衡后，A的讀數為p，試求:待測低溫溫度T(用VA,VB,p0,T0,p表示）。壓力計B測溫泡C毛細管A氣體溫度計測量低溫溫度A:質量M,T0,p0,VA測前B:質量m,T0,p0,VBA:質量M-m,T0,p,VA測后B:質量m+m,T,p,VB(1)(2)(3)(4)(5)(3)、(4)改寫后相加得(6)(6)-(5)得(1)+(2)得373.理想氣體壓強的初級微觀理論1)理想氣體的微觀模型實際微觀粒子之間有相互作用，有體積非質點。短程很強的排斥力微觀粒子具有體積非質點長程相互作用力一般都比較弱標準狀態(tài)下，1摩爾氣體，V=22.4升，N=6.021023個。分子間的平均距離氣體直徑約為10-8cm溫度較高、壓強較小時組成氣體的微觀粒子的大小與其間距相比通?？梢院雎岳硐霘怏w的條件:Ⅰ)組成氣體的微觀粒子都是質點，并遵從牛頓力學定律；Ⅱ)粒子之間除碰撞的瞬間外無相互作用；Ⅲ)粒子之間的碰撞、粒子與容器之間的碰撞都是完全彈性碰撞利用統計方法尋找宏觀量與相應微觀量的平均值的聯系382)理想氣體的壓強公式壓強：單位面積上所受到的正壓力?？疾旖孛鍿S兩側附近的分子之間相互作用對S產生壓力；攜帶動量穿過S的分子也對截面S產生壓力。理想氣體除碰撞的瞬間分子之間無相互作用壓強僅由組成氣體的分子的運動產生。理想氣體的壓強：大量分子在單位時間施加在單位器壁面積上的平均沖量。 一個分子碰撞器壁，給器壁的沖量為SxSvixtt時間內有多少速度為的分子運動到S，并與之發(fā)生碰撞？39設單位體積內具有速度vix的分子數密度為ni,t時間內具有vix且與S碰撞的分子數為具有速度Vix的分子給予器壁總沖量為在t時間內可能碰到S的所有分子的總沖量所有vix>0的分子才可能起作用，單位時間作用于單位面積上的力Svixt40因為系統處于平衡態(tài)，所以vix>0和vix<0各占一半。除去vix>0的限制，則有對于與y軸和z軸相垂直的容器壁，同樣可以得出由于是平衡態(tài)，41設分子的平均平動動能壓強是大量氣體分子碰撞器壁給器壁的沖量的結果。描述了分子運動的劇烈程度，分子運動越激烈，平均平動動能越大42運用統計方法研究熱現象微觀機制從一定的微觀模型出發(fā)利用統計方法得出宏觀量與相應微觀量的平均值之間的關系宏觀量的實質，是大量分子作用的結果433)溫度的統計意義玻爾茲曼常數kB=R/NA=1.38065810-23J/K(1)溫度是系統內部分子無規(guī)則熱運動的劇烈程度。(2)溫度是大量分子熱運動的集體表現，含有統計意義。(3)從形式上看T0時，分子熱運動趨于停止。而事實上分子熱運動永不停止，熱力學溫度的零點不可能達到。此時氣體不能看成理想氣體，公式不成立44例題2一容器內儲存有氧氣，其壓強為1.01325105Pa，溫度為27C，

求：1)單位體積中的分子數；2)氧氣的密度；3)氧分子的質量；4)分子的平均距離；5)分子的平均能量；6)若容器是邊長為0.30m的正方形，當一個分子下降的高度等于邊長時，其重力勢能改變了多少？并將重力勢能與其平均平動動能比較。解：1)已知氧氣的壓強、溫度，2)453)設氧氣分子的質量為m，則有4)設分子間的平均距離為，則有5)重力勢能改變6)若容器是邊長為0.30m的正方形，當一個分子下降的高度等于邊長時，其重力勢能改變了多少？并將重力勢能與其平均平動動能比較。464.范德瓦耳斯方程1873年，范德瓦耳斯(J.D.vanderWaals)1)分子具有一定體積的剛性小球2)分子之間具有一定的吸引力，引力半徑為re分子體積修正*由于分子具有體積，其他分子自由活動的空間減小1摩爾氣體容積Vm，則氣體分子所能活動的空間體積為Vm-bb：反映氣體分子所占有體積的修正量?？梢宰C明，b等于1mol氣體內分子體積總和的四倍，則即b=4NAv0。由于分子有效直徑的數量級為10-10m，則b的大小可估算為：在標準狀態(tài)下，1mol氣體的體積為22.410-3m3，b僅為Vm的萬分之四，是可以忽略的。但p時則應如實考慮b的影響。47確定b：

假設在氣體內除某一分子外，其他分子都“凍結”在一定的位置上，分子在運動過程中不斷與它們相碰。用d表示分子的有效直徑。當分子與任一分子相碰時，它們中心間距離為d。設想分子收縮成一個幾何點，而其他分子的直徑都擴展為2d，則碰撞時與中心間距仍保持為d，即當分子趨近任一其他分子時，的中心將被排除于直徑為2d的球形區(qū)域外，實際上只有這些球形區(qū)域面對著分子的一半是的中心不可能進入的，則b的修正量為分子之間引力對壓強的修正*作用球re：分子引力作用的有效距離aredd48re1)當作用球在氣體內部1摩爾氣體的范德瓦耳斯方程為：2)當作用球的一部分落在器壁外p稱為內壓強p=(單位時間內碰壁分子數)(一個分子碰壁沖量的減少值)與單位體積內的分子數n成正比與分子引力的合力成正比，且與吸引分子數成正比，即與n成正比引入比率系數a，則變?yōu)樗闹芊肿訉χ行姆肿觓的作用力球對稱，不影響a的運動。分子球內部分子對a的吸引力

指向氣體內部，結果a給器壁的沖量減少。49對于M千克氣體，有物質摩爾數為其體積為則方程變?yōu)槎兜峦叨狗匠碳由消溈怂鬼f“等面積原理”，可以描述實際氣體的氣液相變和臨界點現象。描述的理想氣體是“永久氣體”；50范德瓦耳斯

(JohannesDiderikVanDerWaals1837－1923)因在氣態(tài)和液態(tài)方程方面的研究工作，獲得了1910年度諾貝爾物理學獎。1873年，36歲的范德瓦耳斯以題為《論氣態(tài)和液態(tài)的連續(xù)性》的論文獲得了博士學位。在這篇論文中，他提出了范德瓦耳斯方程。相對于其他實驗工作者提出的模型和狀態(tài)方程，范德瓦耳斯方程是最有用的，受到了廣泛的重視和應用。首先，它比較簡單，突出了決定流動性的分子的特征；其次，它又能指出氣體有三相點，且能與在臨界溫度下可液化等性質相符合。當時的實驗發(fā)現，如果某一種氣體的溫度不在臨界值之下，那么它是不能只通過改變壓強來液化的。從范德瓦耳斯方程出發(fā)，臨界溫度，臨界體積，臨界壓強都可用a，b表示出來，且與實驗結果完全相符。1880年，范德瓦耳斯還發(fā)現了對應定律。該理論預言了氣體液化所必需的條件，對所謂“永久”氣體的液化具有重要的指導作用。51范德瓦耳斯（Johannes,DiderikVanderWaals,1837-1923）1837年11月23日出生于荷蘭的萊頓，曾任中學教師、校長等職。1873年他在“論氣態(tài)和液態(tài)的連續(xù)性”博士學位論文中，在考慮了分子體積和分子間引力的影響后,推出了著名的范德瓦耳斯物態(tài)方程，論證了汽液態(tài)混合物不僅能以連續(xù)的方式相互轉化，而且事實上它們具有相同的本質。他并且進一步地推導出了該氣態(tài)方程中體積修正項b為分子固有體積4倍的結論。由此他進入了當時第一流物理學家的行列。

1880年，范德瓦耳斯又發(fā)表了他的重大發(fā)現“對應態(tài)定律”，指出“如果氣體的壓強、體積、溫度分別表示成各對應量的臨界值的單調函數時，則可得到適用于所有物質的物態(tài)方程的普遍表達式。”在該定律的指導下，杜瓦于1898年制成了液態(tài)氫，卡末林－昂內斯與1908年制成了液態(tài)氦。

1890年，范德瓦耳斯又提出了“二元混合物”理論。隨后又提出毛細現象的熱力學理論等。由于范德瓦耳斯在氣體和液體狀態(tài)方程的建立方面所做作的工作，他被授予了1910年的諾貝爾物理學獎。第一章平衡態(tài)和狀態(tài)方程

基本要求1.1物質結構的基本圖像1.2熱力學系統及其狀態(tài)參量1.3平衡態(tài)的概念1.4溫度和溫標理想氣體溫標用T表示，單位為開爾文(Kelvin)，記為K。與攝氏溫標之間的關系為T(K)=273.15+t(C)1.5狀態(tài)方程與理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的壓強公式和狀態(tài)方程范德瓦耳斯狀態(tài)方程521.5狀態(tài)方程

理想氣體的壓強公式和狀態(tài)方程

53玻爾茲曼常數kB=R/NA=1.38065810-23J/K溫度是系統內部分子無規(guī)則熱運動的劇烈程度。范德瓦耳斯狀態(tài)方程END5455思考1.飲水鳥原理2.熱水凍結速度快還是冷水結凍速度快？3.冬季為什么要生火？夏天為什么要冷氣？推薦圖書《溯源探幽：熵的世界》56溫度大觀存在著109種生物大分子如果溫室效應使得平均氣溫升高3度，海平面將上漲2-5米，迫使10億人背井離鄉(xiāng)冰河期下降10度，大批物種滅絕}Iter國際熱核聚變實驗堆冶金縱火液氧90K液氮77K1908Onnes液氦4K1956萊頓大學絕熱去磁1.4mK2000HelsinkiUniversityofTechnology100pK1898Dewar液氫20KLHC57揭秘溫度：對撞機制造4萬億度高溫為何未燒毀最近，美國科學家制造出了4萬億度的高溫，這個匪夷所思的數字讓人很難把它和“北京夏天40攝氏度高溫”聯系起來。4萬億度的高溫是如何“測”出來的，這樣的溫度意味著什么？溫度確實是一個非常難以理解又引人入勝的話題，當我們說溫度時我們在說些什么呢？通過“馬德堡半球”實驗，科學家終于發(fā)現氣體體積、壓力和溫度之間存在著復雜的關系攝氏溫標是由攝爾修斯發(fā)明的“布莫讓星云”是宇宙中已知最冷的地方581建立熱力學，路漫漫從直觀上來說，溫度和人對冷熱的感受有關。冷熱是人類最容易直觀地感覺到，但同時又最晚被理解的現象之一。從人類誕生之日，就已經注意到春暖冬寒，有些古人還試圖從理論上解釋冷熱的原因，比如東漢的王充曾寫道：“夫近水則寒，近火則溫，遠之漸微，何則？氣之所加，遠近有差也。”但是真正從科學上研究熱的熱力學還是1656年才出現的。當年，愛爾蘭科學家波義爾和英格蘭科學家胡克繼續(xù)“馬德堡半球”實驗開創(chuàng)的氣體真空研究，終于發(fā)現氣體體積、壓力和溫度之間存在著復雜的關系。

1714年，荷蘭人華倫海特(DanielFahrenheit)改良水銀溫度計，定出華氏溫標，建立了溫度測量的一個共同的標準，使熱學走上了實驗科學的道路。1824年，法國科學家卡諾，第一個把熱和動力聯系起來，是熱力學的真正的理論基礎建立者。經過許多科學家兩百年的努力，到1912年，能斯脫(WaltherHermannNernst)提出熱力學第三定律后，人們對熱的本質才有了正確的認識，并逐步建立起熱學的科學理論。592計量溫標是何物？熱學的基礎是溫度，如果連溫度計量標準都沒有，那么我們今天的溫度標準是怎么來的呢？攝氏溫度是目前世界使用比較廣泛的一種溫標。它是18世紀瑞典天文學家攝爾修斯(AndersCelsius)提出來的。在1標準大氣壓下，他把水的沸點定為0℃，水的凝固點定為100℃，其間分成100等分，1等分為攝氏1度。但是，在使用中，這種從低到高的排列從人們感到很不方便。第二年，攝爾修斯就把該溫度表的刻度值顛倒過來使用。這種溫度表被稱為攝氏溫標(又叫百分溫標)。后人為了紀念攝爾修斯，用他的名字第一個字母“C”來表示。在美國，人們采用華氏溫標。我們知道“華氏451”是紙燃燒的溫度，有時還聽說誰發(fā)燒到“102華氏度”這樣的說法。那么，華氏度是怎么回事呢？華氏溫標是1714年由荷蘭人華倫海特制定的。在這一年，他制成了第一支玻璃水銀溫度計。最初，華氏溫標以NH4Cl(氯化銨)和水的混合物的溫度為0℉，而以人(他妻子)的體溫為100℉(后來修正為96℉)。此后，改為冰水混合物為32℉(即冰點)，而以水沸點的溫度為212℉，這就是華氏溫標。由此可知，攝氏溫度和華氏溫度的思路完全一樣，只是0點不同，刻度大小也不一樣。就溫度范圍來說，攝氏溫標1度等于華氏溫標9/5度，而0℃相當于32℉，所以把華氏度減去32，再乘以5/9就得出攝氏度。利用這個換算公式，可以知道“華氏451”等于233℃；而“102華氏度”相當于39℃，發(fā)燒到這個溫度還死不了人。603寒冷溫度有條“底線”有了溫度計，人們可以更深入、更準確地研究熱。最初，科學家們認為熱是一種單獨存在的物質。這個理論被稱為“熱質說”。這種說法把傳熱過程看作是“熱質”的流動過程，并且產生了“熱質守恒定律”。這種學說沒法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰(zhàn)。1798年，英國物理學家倫福德通過摩擦生熱的實驗提出熱是物質的一種運動形式。1799年，英國科學家戴維的冰摩擦生水的實驗更推翻了熱質說。現在，科學家已經確認熱不是一種單獨的物質，而是物質內粒子無規(guī)則運動造成的現象，而溫度正是度量這種無規(guī)則運動強度的方法。所以，我們可以這樣粗略地理解溫度：溫度高就說明物質內粒子無規(guī)則運動速度大，反之說明物質內無規(guī)則運動速度小。實際上，物質內粒子的運動速度并不相同，溫度是“粒子運動激烈程度(動能)平均值的一個指標”。它是一個相當不容易理解的概念。根據溫度的定義，無論是攝氏溫度還是華氏溫度，它們的“零度”都不是真正的“零度”。因為在此溫度下物體的粒子還在做著相當激烈的運動。那么，溫度有沒有最低值呢？科學家認為，這個最低溫度確實存在，被稱為“絕對零度”，它等于-273.15℃。不過，宇宙中沒有什么地方是絕對零度，因為只要有物質，多少會受到周圍輻射等因素的作用而產生粒子的運動。宇宙中最冷的天體“布莫讓星云”(BoomerangNebula)的溫度是-272℃。同時，根據熱力學第三定律，熱量只能從溫度高的物體傳到溫度低的物體，要使物體降溫到絕對零度，只能用低于這個溫度的物體來吸取它的熱量，這肯定是不可能的，所以人工也沒法制造出絕對零度?，F在，科學家只能制造出比絕對零度高出10-10攝氏度的低溫。有“絕對零度”，就有“絕對溫度”。絕對溫度以絕對零度為零度，溫度間隔和攝氏度一樣，其單位是開爾文(K)，絕對溫度等于攝氏溫度加273.15。614熾熱溫度高，未必熱定義了零度，我們就可以定義更高的溫度。水銀溫度計根據汞熱漲冷縮原理制成。它一般只能被用于測量150℃以下的溫度。一旦超過2000℃，任何需要熱傳遞的接觸式溫度計都沒法用了。不過，不用接觸傳熱科學家們也能測溫?；跍囟群湍芰康年P系，科學家可以計算出不同溫度放射出的電磁波波長。電磁波按照從長到短的不同波長來區(qū)分，依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線等。一般來說，波長越短的電磁波，攜帶的能量越高。因此，物體的溫度越高，它所發(fā)出的電磁波中所包含的短波長成分也越多。所以，可以通過天文望遠鏡觀察天體放射的電磁波，來了解它們的溫度。用這種方法，我們可以知道太陽的中心溫度大約是2000萬度。美國科學家已經在相對論重子對撞機中制造出了4萬億度的高溫，這個溫度是怎么測出來的呢？中科院理論物理研究所研究員李淼說，這個數據是通過參與碰撞的粒子的能量算出來的，當然也可以觀測到一些和這個溫度相關的現象，比如電磁輻射。但是新的問題又出現了，這4萬億度的高溫是在加速器的管子里生成的，那管子還不全融化了啊？這就牽扯到一個重要的科學事實：溫度和我們感受到的熱是兩回事！當我們泡溫泉的時候，水溫達到50℃就覺得燙得不行了，可蒸桑拿的時候，桑拿房的室溫達到80℃我們也不會被燙傷。這是因為溫泉里水分子的密度比蒸拿房里的氣體分子密度高得多。它能夠把更多的熱量(也就是粒子的動能)傳給人體，所以50℃的溫泉池比80℃的桑拿房要“熱”得多。我們還可以找到更極端的案例，距地球50億光年的地方有一個RXJ1347.51145星系，其內部存在溫度高達3億℃的氣體，但是假如我們置身其中，卻根本就不會感到熱！因為那些氣體的密度非常低，每一立方厘米大約只有0.0001到0.01個原子(或離子)。同樣的道理，對撞機里的高溫也不會熔化管子，因為對撞機里的物質是很少的。溫度的世界有很多讓人費解的地方，中科院物理研究所研究員曹則賢在接受本報記者采訪時強調，在日常生活中我們所說的“溫度”往往和科學定義區(qū)別很大，短短一篇文章也不可能真正讓人理解溫度的概念。所以，要想真正理解“我們在說溫度的時候都在說些什么”，還需要查閱專業(yè)教科書。62附加知識63熱力學系統與外界的關系熱力學系統環(huán)境粒子源物質交換封閉系熱源絕熱系熱量功力開放系孤立系信息等其他作用絕熱壁64熱力學系統組成成分熱力學系統成分單元系多元系均勻單相系復相系65物質的微觀理論—物質結構Dalton原子模型Brownianmotion18281897JJThomson發(fā)現電子Ruthorfordalpha粒子散射實驗1919Ruthorfordα粒子轟擊氮原子，發(fā)現質子盧瑟福的學生查德威克用質子轟擊鈹核，發(fā)現中子1932海森堡提出原子核由中子和質子構成高能電子對核子結構的探測表明內部存在更小的結構，被稱為部分子蓋爾曼提出夸克模型，提出用夸克來構造各種粒子超對稱超弦1800s1911?19681961…1968--today量子力學66物質的微觀理論—相互作用BuildingBlocksofHadronWorldProtonNeutron(uud)(udd)Mesons(q-q)Exotics(qqqq-q,…)MoleculesAtomsElectronsNucleusHyperons(s…)強相互作用弱相互作用電磁相互作用67物質的微觀理論—分子間相互作用結合能平衡位置10-10m0.1～5eV離子鍵共價鍵范德瓦爾斯鍵氫鍵68物質的微觀理論—分子熱運動愛因斯坦(1905年)和斯莫陸綽斯基(Smoluchowski,1906年)、郎之萬(Langevin,1908年)關于布朗運動的理論工作，證明了布朗粒子位移平方的平均值正比于時間t1908年皮蘭(Perrin)實驗證實Fig.1FluctuationofHSIduringtheperiodJan.3,1994toNov.30,2000.Theperiodischaracterizedbythe1995‘bearishmarket’andthe1997-98crash.StevenZhucoolingandtrappingatomsusinglaserlight證實原子存在的人69Brownianmotion英國植物學家布朗(R.Brown)在顯微鏡下觀察到懸浮在靜止液體里的花粉不停地做無規(guī)則運動。70物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)勢能Ep動能Ek><≈71物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)氣體——非凝聚態(tài)，分子位置相互間沒有關聯直徑10-10m間距10-9m273K時，N2平均速率400m/sH2平均速率1700m/s72“氣體”普通氣體電子氣體白矮星中子星光子氣固體晶格中的聲子氣物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)73完美晶體離子鍵共價鍵金屬鍵范德瓦耳斯鍵氫鍵物質的氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)74晶體與對稱性7個晶系