[科普中国]-热力学性质

简介

一般将物体的压强P、体积V、温度T、内能U、焓H、熵S、等统称为物体热力学性质。1

压强物体所受的压力与受力面积之比叫做压强，压强用来比较压力产生的效果，压强越大，压力的作用效果越明显。压强的计算公式是：p=F/S，压强的单位是帕斯卡，符号是Pa。

增大压强的方法有：在受力面积不变的情况下增加压力或在压力不变的情况下减小受力面积。减小压强的方法有：在受力面积不变的情况下减小压力或在压力不变的情况下增大受力面积。

液体对容器内部的侧壁和底部都有压强，压强随液体深度增加而增大。

液体内部压强的特点是：液体由内部向各个方向都有压强；压强随深度的增加而增加；在同一深度，液体向各个方向的压强相等；液体压强还跟液体的密度有关，液体密度越大，压强也越大。液体内部压强的大小可以用压强计来测量。

体积定义体积是指物质或物体所占空间的大小，占据一特定容积的物质的量（表示三维立体图形大小）。

体积，物体所占空间的大小叫做物体的体积。体积的国际单位制是立方米。一件固体物件的体积是一个数值用以形容该物件在三维空间所占有的空间。一维空间物件（如线）及二维空间物件（如正方形）在三维空间中均是零体积的。

单位定义棱长是1毫米的正方体，体积是1立方毫米。

棱长是1厘米的正方体，体积是1立方厘米。

棱长是1分米的正方体，体积是1立方分米。

棱长是1米的正方体，体积是1立方米。

单位换算1立方分米=1000立方厘米=1000000立方毫米=1升=1000毫升=0.061 立方英寸

1立方厘米=1000立方毫米=1毫升=0.000061 立方英寸

1 立方米=1000 立方分米=1000000立方厘米=1000000000立方毫米=0.353 立方英尺=1.3079 立方码

1 立方英寸=0.016387 立方分米=16.387立方厘米=16387立方毫米

1立方英尺=28.3立方分米=28300立方厘米=28300000立方毫米

1 立方码=27 立方英尺=0.7646 立方米=164.6立方分米=164600立方厘米=164600000立方毫米

1 立方尺 = 31.143蒲式耳(英) = 32.143 蒲式耳(美）

1 加仑(美) =0.0037854118 立方米 =0.8326741845 加仑（英）

温度温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。

它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。国际单位为热力学温标(K)。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标(°F)、摄氏温标(°C)和国际实用温标。

从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。根据某个可观察现象(如水银柱的膨胀)，按照几种任意标度之一所测得的冷热程度。

开尔文单位以绝对零度作为计算起点的温度。即将水三相点的温度准确定义为273.16K后所得到的温度，过去也曾称为绝对温度。开尔文温度常用符号K表示，其单位为开尔文，定义为水三相点温度的1/273.16。开尔文温度和人们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即=+273.15（是摄氏温度的符号）。

华氏温标华氏度(Fahrenheit) 和摄氏度(Centigrade)都是用来计量温度的单位。包括中国在内的世界上很多国家都使用摄氏度，美国和其他一些英语国家使用华氏度而较少使用摄氏度。

它是以其发明者Gabriel D. Fahrenheit(1681-1736)命名的，其结冰点是32°F，沸点为211.9532°F。 1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。包括我国在内的世界上绝大多数国家都使用摄氏度；世界上仅存5个国家使用华氏度，包括巴哈马、伯利兹、英属开曼群岛、帕劳、美利坚合众国及其他附属领土（波多黎各、关岛、美属维京群岛）。

摄氏温标它的发明者是Anders Celsius(1701-1744)，其结冰点是0℃，沸点为99.974℃。 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0度，水的沸腾温度规定为99.974度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1℃。摄氏温度已被纳入国际单位制。物理学中摄氏温度表示为t，绝对温度（单位：开尔文）表示为T，摄氏温度的定义是t=T-273.15。摄氏度是表示摄氏温度时代替开尔文的一个专门名称，在数值上1K=1℃。

两者关系摄氏温度和华氏温度的关系 ：T ℉ = 1.8t℃ + 32 （t为摄氏温度数，T为华氏温度数）

摄氏温度和开尔文温度的关系： °K=℃+273.15

内能内能（internal energy） 是组成物体分子的无规则热运动动能和分子间相互作用势能的总和。物体的内能不包括这个物体整体运动时的动能和它在重力场中的势能。原则上讲，物体的内能应该包括其中所有微观粒子的动能、势能、化学能、电离能和原子核内部的核能等能量的总和，但在一般热力学状态的变化过程中，物质的分子结构、原子结构和核结构不发生变化，所以可不考虑这些能量的改变。但当在热力学研究中涉及化学反应时，需要把化学能包括到内能中。内能常用符号U表示，内能具有能量的量纲，国际单位是焦耳（J）。2

当系统发生某一变化，从原先的平衡态过渡到另一个新的平衡态时，内能的变化量仅取决于变化前后的系统状态，而与这个变化是如何发生的（例如变化的快慢）以及变化经历了怎样曲折的过程（例如是经历一个等温过程、等压过程还是一个任意过程）完全无关。内能的这一性质和功、热量有着本质的区别。

功和热量都是系统与外界之间交换的能量，或者说系统（从外界）吸收或放出（给外界）的能量。一旦系统对外界做了功或传了热，这部分能量就不再是系统的能量（即不再是系统内能的一部分），而是变成外界物体的能量（构成外界物体内能或动能的一部分）。系统只存在或含有内能（内能的存在不依赖于外界），不存在热量或功（离开外界和系统的相互作用，谈不上热量和功）。仅当系统在外界（外力或温差）的作用下，系统内能中的一部分以功或热量这两种能量形式传给外界（或反之）。功和热量的大小，不仅取决于系统变化前后的状态，还取决于变化的每一细节过程。

狭义内能在一般的物理问题中（不涉及电子的激发电离，化学反应和核反应），内能中仅分子动能和势能两部分会发生改变，此时我们只关心这两部分，而将这两部分之和定义为内能。这是一种简化的定义，即狭义内能。在涉及电子的激发电离，化学反应和核反应时，为不引起误解狭义内能应严格称为热力学能（以前称为热能，热能这一概念在一些工程领域内仍广泛使用）。

广义内能在不涉及核反应的物理过程或化学过程中，原子核内部的能量不会改变，此时可以将内能定义为热力学能与电子能之和。

最广义的内能就是物体或系统内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量总和。即热力学能、电子能与原子核内部能量之和。

焓热力学中表征物质系统能量的一个重要状态参量，常用符号H表示。焓的物理意义是体系中热力学能再附加上PV这部分能量的一种能量。

焓具有能量的量纲，一定质量的物质按定压可逆过程由一种状态变为另一种状态，焓的增量便等于在此过程中吸入的热量。焓定义为H=U+pV，式中U为物质的内能，p为压力，V为体积。

状态函数焓是体系的状态函数，与变化的途径无关，只要体系的状态定了，焓就有唯一确定的值。焓的引入是通过无非体积功的等压变化引出的。但绝不意味着只有在无非体积功的等压过程才有焓存在，其他情况下就不存在焓。

广度性质因为U和pV都是广度性质，所以焓H也是体系的广度性质。因U和pV具有能量的量纲，所以H也具有能量的量纲。由于pV>0，所以对于体系的同一状态，恒有H>U。

非守恒量例如氢气和氧气在绝热钢瓶中反应生成水，Q=W=0，ΔU=0，即热力学能守恒，但因为过程中不等压，p2>p1，ΔH=ΔU+V(p2-p1)=V(p2-p1)>0，焓不守恒。

应用体系若吸热，焓值升高；放热，焓值降低

对于均匀体系的简单状态变化，由于吸热时体系的温度升高，因此高温物质的焓要高于低温物质的焓。

对于相变化，如固体变为液体，固体变为气体即液体变为气体都要吸收热量，所以同种物质的不同聚集状态在同一温度下的焓值不想等，H(g)>H(l)>H(s)。

对于等温下的化学反应，若反应吸热，产物的焓高于反应物的焓；若反应放热，产物的焓应低于反应物的焓。

焓变焓是与内能有关的物理量，反应在一定条件下是吸热还是放热由生成物和反应物的焓值差即焓变（△H）决定。在化学反应过程中所释放或吸收的能量都可用热量（或换成相应的热量）来表示，叫反应热，又称“焓变”。焓是一个状态量，焓变是一个过程量，如同瞬时速度是状态量，平均速度是过程量。

熵熵，热力学中表征物质状态的参量之一，用符号S表示，其物理意义是体系混乱程度的度量。3

克劳修斯(T.Clausius) 于1854年提出熵(entropie)的概念, 我国物理学家胡刚复教授于1923年根据热温商之意首次把entropie译为“熵”。A.Einstein曾把熵理论在科学中的地位概述为“熵理论对于整个科学来说是第一法则”。查尔斯·珀西·斯诺(C.P.Snow)在其《两种文化与科学革命》一书中写道: “一位对热力学一无所知的人文学者和一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕”.熵定律确立不久，麦克斯韦(J.C.Maxwell)就对此提出一个有名的悖论试图证明一个隔离系统会自动由热平衡状态变为不平衡。实际上该系统通过麦克斯韦妖的工作将能量和信息输入到所谓的“隔离系统”中去了。这种系统实际是一种“自组织系统”。

以熵原理为核心的热力学第二定律,历史上曾被视为堕落的渊薮。美国历史学家亚当斯H.Adams(1850-1901)说:“这条原理只意味着废墟的体积不断增大”。有人甚至认为这条定律表明人种将从坏变得更坏，最终都要灭绝。热力学第二定律是当时社会声誊最坏的定律。社会实质上不同于热力学上的隔离系统，而应是一种“自组织系统”。

状态函数熵S是状态函数，具有加和（容量）性质，是广度量非守恒量，因为其定义式中的热量与物质的量成正比，但确定的状态有确定量。其变化量ΔS只决定于体系的始终态而与过程可逆与否无关。由于体系熵的变化值等于可逆过程热温商δQ/T之和，所以只能通过可逆过程求的体系的熵变。孤立体系的可逆变化或绝热可逆变化过程ΔS=0。4

宏观量熵是宏观量，是构成体系的大量微观离子集体表现出来的性质。它包括分子的平动、振动、转动、电子运动及核自旋运动所贡献的熵，谈论个别微观粒子的熵无意义。

绝对值熵的绝对值不能由热力学第二定律确定。可根据量热数据由第三定律确定熵的绝对值，叫规定熵或量热法。还可由分子的微观结构数据用统计热力学的方法计算出熵的绝对值，叫统计熵或光谱熵。

熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律：在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地像混乱度增大的方向变化，总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加，所以说整个宇宙可以看作一个孤立系统，是朝着熵增加的方向演变的。

从一个自发进行的过程来考察：热量Q 由高温(T1)物体传至低温(T2)物体，高温物体的熵减少dS1=dQ/T1，低温物体的熵增加dS2=dQ/T2，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是dS=dS2－dS1>0，即熵是增加的。