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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从宏观到微观不断深入的过程。相应地，人们对新材料或传统材料新功能的开发和研制也从来没有停止过。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。
2.1 温度和温标
打开挡板K后，A、B两部分气体分子做无规则热运动，发生扩散现象，如果容器与外界没有能量交换，经过一段时间后，容器内气体会混合均匀，达到一种稳定状态，即两部分气体温度相同，压强也相同，达到平衡.
状态参量与平衡态
系统
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 (thermodynamic system)，简称系统。
物理学中，把所研究的对象称为系统．
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。
在物理学研究中，对系统内部问题，往往采取“隔离”分析方法，对系统与外界的相互作用问题，往往采取“整体”分析的方法．
状态参量
在力学中，为描述物体 (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量 (state parameter)。
描述物质系统状态的宏观物理量叫做状态参量。
物理学中，需要研究系统的各种性质，包括几何性质、力学性质、热学性质、电磁性质等等。为了描述系统的状态，需要用到一些物理量。
例如，为了确定系统的空间范围，要用到体积 V，这是一个几何参量；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。
平衡态
要定量地描述系统的状态往往很难，因为有时系统的参量会随时间变化。然而在没有外界影响的情况下，只要经过足够长的时间，系统内各部分的状态参量就能够达到稳定状态。这种状态叫作平衡态 (equilibrium state)，否则就是非平衡态。
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。
热学系统所处的平衡态往往是一种动态的平衡，这种动态平衡性质充分说明热运动是物质运动的一种特殊形式。
典例探究
例题1：在热学中，要描述一定气体的宏观状态，需要确定下列哪些物理量 ( 　 )
A．每个气体分子的运动速率 B．压强
C．体积 D．温度
BCD
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。
热平衡
如果两个系统相互接触而传热，这两个系统的状态参量将会互相影响而分别改变。经过一段时间，各自的状态参量就不再变化了，这说明两个系统达到了平衡。这种平衡叫作热平衡 (thermal equilibrium)。
热平衡概念也适用于两个原来没有发生过作用的系统．因此可以说，只要两个系统在接触时它们的状态不发生变化，我们就说这两个系统原来是处于热平衡的．
热平衡定律 (又叫热力学第零定律)
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。
温度
热平衡定律表明，当两个系统 A、B 处于热平衡时，它们必定具有某个共同的热学性质，我们就把表征这一“共同的热学性质”的物理量叫作温度 (temperature)。
换句话说，温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡的物理量，它的特点就是“达到热平衡的系统具有相同的温度”(图2.1-1)。
下表列出了部分人们已观测的温度。
系统达到热平衡的宏观标志就是温度相同，若温度不同即系统处于非平衡态，则系统一定存在着热交换。
若温度计跟物体 A 处于热平衡，它同时也跟物体 B 处于热平衡，根据热平衡定律，A 的温度便与 B 的温度相等.
典例探究
例题2：一金属棒的一端与 0℃ 冰接触，另一端与 100℃ 水接触，并且保持两端冰、水的温度不变．问当经过充分长时间后，金属棒所处的状态是否为热平衡态 为什么
答案：否，因金属棒各部分温度不相同，存在能量交换．
温度计与温标
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 (thermometric scale)。
定量描述温度的方法叫做温标。
确定一个温标时首先要选择一种测温物质，根据这种物质的某个特性来制造温度计。
例如，可以根据水银的热膨胀来制造水银温度计，这时我们规定细管中水银柱的高度与温度的关系是线性关系。还可以根据气体压强随温度的变化来制造气体温度计 (图2.1-2)，等等。
确定了测温物质和它用以测温的某种性质之后，还要确定温度的零点和分度的方法。
例如，摄氏温标曾经规定，标准大气压下冰的熔点为 0℃，水的沸点为 100℃；并据此把玻璃管上 0℃ 刻度与 100℃ 刻度之间均匀分成 100 等份，每份算作 1℃。
温标的建立包含三个要素：
① 选择温度计中用于测量温度的物质，即测温物质；
② 对测温物质的测温属性随温度变化规律的定量关系作出某种规定；
③ 确定固定点即温度的零点和分度方法．
热力学温度
现代科学中用得更多的是热力学温标。
热力学温标表示的温度叫作热力学温度(thermodynamic temperature )，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 K。
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1℃与1K相等。因此这个式子中 T 的单位用K. t 的单位用℃。
1960年，国际计量大会确定了摄氏温标与热力学温标的关系：摄氏温标由热力学温标导出，摄氏温标所确定的温度用 t 表示，它与热力学温度 T 的关系是
T＝t ＋ 273.15 K
说明
①摄氏温标的单位“℃”是温度的常用单位，但不是国际制单位，温度的国际制单位是开尔文，符号为K．在今后各种相关热力学计算中，一定要牢记将温度单位转换为热力学温度即开尔文；
②由 T＝t＋273.15 K 可知，物体温度变化 1℃与变化1 K的变化量是等同的，但物体所处状态为 1 ℃ 与 1 K是相隔甚远的；
③一般情况下， T＝t＋273 K
典例探究
例题3：实际应用中，常用到一种双金属温
度计．它是利用铜片与铁片铆合在一起的双金
属片的弯曲程度随温度变化的原理制成的，如
图 7－4－1 所示．已知左图中双金属片被加热时，其弯曲程度会增大，则下列各种相关叙述中正确的有 ( 　　 )
A．该温度计的测温物质是铜、铁两种热膨胀系数不同的金属
B．双金属温度计是利用测温物质热胀冷缩的性质来工作的
C．由左图可知，铜的热膨胀系数大于铁的热膨胀系数
D．由右图可知，其双金属征的内层一定为铜，外层一定为铁
双金属温度计图7－4－1
ABC
练习与应用
1.“在测定某金属块的比热容时，先把质量已知的金属块放在沸水中加热。经过一段时间后把它迅速放入质量已知、温度已知的水中并用温度计测量水的温度。当水温不再上升时这就是金属块与水的共同温度。根据实验数据就可以计算金属块的比热容。”在这样的叙述中，哪个地方涉及了“热平衡”的概念
解：在以上叙述中，有两个地方涉及“热平衡”. 第一处是金属块放在沸水中，经过一段时间后，金属块和沸水组成的系统温度相同同，这两个系统达到“热平衡”第二处是将金属块迅速放入质量已知、温度已知的水中，并用温度计测水温，当水温不再升高，这时金属块、水和温度计组成的系统温度相同，它们也达到了“热平衡”.
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
解：由 T＝t＋273.15K 知，27 ℃ 是 300.15 K，2.5K 是－270.65℃.
3. 已知某物理量 X 与热力学温度 T 成正比、请把这个关系式用等式表示出来。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。
解：X＝kT，X＝k(t＋273.15K)，如图所示.
4. 图2.1-5甲表示某金属丝的电阻 R 随摄氏温度 t 变化的情况。把这段金属丝与电池、电流表串联起来 (图2.1-5乙)，用这段金属丝做测温探头，把电流表的电流刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的电阻温度计。
请判断：如果电池的电动势和内阻都是不变的，电流表上代表 t1、t2 的两点，哪个应该标在电流比较大的刻度上
解：由 R-t 图像可知，电阻 R 随温度 t 的升高而变大.
因为当温度为 t1 时电阳较小，而电路的电动势和内阻不变，根据闭合电路的欧姆定律知，t1 对应的电流较大.

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