A-level 化學/AQA/模組 5/熱力學/溫度和熱力學第零定律

溫度和熱平衡

從定義溫度的概念開始討論熱力學似乎很合適，但是，我們首先應該注意日常生活中的一些直觀概念。

溫度是物質中粒子平均動能的度量。可以在系統中原子運動、溫度以及例如一群球的運動之間進行類比。就像一群球被一個運動的球擊中一樣，熱量（和球）往往會散開；想象一個人打檯球擊中一群檯球。它們不會停留在同一個地方，而且，球撞擊後，每個球的速度乍一看往往看起來相同。

那麼這與熱力學第零定律有什麼關係呢？

首先，人類對溫度有感知；我們可以感覺到冷和熱的東西，並且我們歷史上為這種感覺設定了一個數值（我們稍後會看到如何設定）。

然後，我們必須看看溫度是如何變化的。假設我們有兩升水分別處於不同的溫度，例如 $T_{1}$ 和 $T_{2}$ 。當我們將它們混合在一起時，它們將達到一個新的溫度 $T_{3}$ ，使得 $T_{1}<T_{3}<T_{2}$ 。因此，我們可以說溫度的變化方向是朝著相等的方向。請注意，雖然情況並非總是如此，但我們說整個物體都有一個溫度，因此兩升水混合在一起是這兩升水分離狀態之間的完美混合。

我們不需要混合物體來使溫度相等；經驗告訴我們，相互接觸的物體往往會達到相同的溫度。因此，我們可以說當兩個物體相互接觸時，如果它們不改變溫度，則這兩個物體處於相同的溫度，這稱為熱平衡。

當物體的溫度沒有差異時，兩個物體之間就會達到熱平衡。就像檯球一樣。

熱力學第零定律

作為熱力學平衡定義的直接結果，溫度測量是傳遞的；因此，如果我們有三個物體 A、B 和 C，使得

T(A)=T(B)

以及

T(B)=T(C)

那麼

T(A)=T(C)

.

這被稱為熱力學第零定律。

示例

茶可以用作熱力學第零定律的示例。

假設我們有 60 攝氏度的茶和 25 攝氏度的環境。

茶會冷卻，直到達到並與 25 度的環境相匹配。這杯茶展示了熱力學第零定律。

溫度計

我們應該說，如果我們能夠將溫度轉換為可重複的數值，那麼這個屬性使我們能夠構建一個溫度計。在上面的示例（兩升水演變成新的溫度）中，我們使用了相同數量的水。溫度標度基於將最終溫度作為

T_{3}={\frac {T_{1}+T_{2}}{2}}

對於不同質量的水，我們將有加權平均值

T_{3}={\frac {m_{1}T_{1}+m_{2}T_{2}}{m_{1}+m_{2}}}

透過改變已知溫度的水的質量 $T_{1},T_{2}$ ，我們可以透過這種機制獲得它們之間任意溫度，並校準另一種（更方便的）裝置，將溫度轉換為可重複的數值。最常見的此類裝置是水銀溫度計，它實際上是一個連線到細管（毛細管）的燈泡。人們觀察到，水銀在管中佔據的空間隨溫度線性增加，因此

l-l_{0}=l_{0}\alpha (T-T_{0})\,

其中 $l$ 是佔據的空間，而 $l_{0}$ 是在參考溫度 $T_{0}$ 下佔據的空間； $\alpha$ 是一個常數（線性熱膨脹係數）。攝氏度選擇溫度 $T_{1},T_{2}$ 為水的凝固和凝結溫度，將其設定為 $0$ 和 $100$ ，並將一度的測量定義為將此範圍除以 100。相反，華氏度使用鹽水的冰點作為刻度的 $0$ ，並將人體溫度設為 96（水的凝固點設為 32 °F）。後來，這個刻度被修改為使水的凝結溫度恰好比凝固溫度高 180 °F。

需要注意的是，為了建立溫度標度，人們使用了一種熱穩定混合物，這種混合物可以在一段時間內保持恆定溫度。使用正在發生狀態變化的化合物很容易實現這一點，例如融化的冰：水處於冰的溫度，因為它們處於熱平衡狀態；然後水會變得更熱（以達到與空氣的平衡），冰也處於這個過程中；當冰融化時，它會變成更多的水，從而穩定與現有水的平衡。此外，人們觀察到在狀態變化時存在異常現象：例如，水和冰之間的熱平衡可以在凝固溫度以上（液體）或以下（固體）達到，也可以在凝固溫度本身達到，最終產物是液體和固體的混合物，或者僅僅是液體或僅僅是固體。這種現象被稱為潛熱，將在後面進一步描述。