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热力学

压强 温度 是什么

分子碰撞即压力,速率平均即温度;热平衡、绝对温度(K)与第零定律

桶里的气体看起来静静的,其实无数分子一刻不停地飞。往桶里再填分子,分子撞墙的次数变多,墙受到的敲打也变重,我们叫做压力的,正是这无数碰撞推墙的力。再把分子弄热,同样的分子飞得更快,那个速度的平均就是温度。压力和温度,都是把看不见的一个个分子的运动,收成宏观世界的一个数字。抓住这个看法,为什么加热压力就升、为什么两个物体一碰就变温,一眼就明白。

先看压力从哪里来。桶里的分子不停地撞墙,一次碰撞是很小的一记,可是一秒里聚起极多的次数,就变成稳定地推墙的力。用滑块增加分子数,分子越多,撞到墙的次数越密,压力条就越满,所以压力归根是单位面积的墙受到的碰撞之和。气球绷着、轮胎硬着,都是因为里面的分子不停地敲墙。围着我们的空气也这样从四面敲墙,每 1 平方米用接近 10 吨的力压着,可是里外推得一样,所以我们感觉不到那个重量。

这次是温度。把桶加热,一个个分子飞得更快,用滑块升高温度,分子弹得更远更猛,颜色也热起来。温度就是这些分子所具有的运动的平均,准确说是一个分子平均具有多大的动能。所以热就是分子动得快,冷就是动得慢。要注意的一点是,温度不是一个分子的速度,而是许许多多分子的平均,所以分子多也好少也好,只要平均一样,温度就一样。其实分子并不都一样快,从快到慢铺得很开,其中表面最快的分子飞出去就是蒸发,所以水洼离沸点很远也会一点点干。

现在让热的物体和冷的物体贴在一起。用滑块把时间放过去,热的一边快的分子在边界上撞冷的一边的分子,把运动分出去,热的一边渐渐凉,冷的一边渐渐热。等到两边温度一样,热就不再往一边流,这个状态叫做热平衡。要紧的是两者停在同一个温度,温度相同就是分子运动的平均变得相同,没有什么可交换了。我们能比较两个物体的温度,正是靠这个平衡。所以在一个房间里放久的东西已经到了这个平衡,金属把手和木门其实是同一个温度,金属摸着更凉,只是因为它把手上的热拿走得更快。

把温度一点点降下去,分子的运动也一点点变慢。从图上看桶的压力怎样随温度变,温度越低,碰撞越弱越稀,压力就笔直地减小。把这条直线一直延长,出现压力变为 0 的点,大约是摄氏零下 273 度,分子的运动不能再减,是不能更冷的地板。所以科学家把这一点定为 0,做出新的刻度,那就是绝对温度开尔文,摄氏加上 273 就是开尔文。热力学的所有公式用开尔文而不用摄氏,原因在这里,分子运动的真正数量必须从地板数起。这个地板可以接近,却不能完全碰到,最冷的实验室也只下到绝对零度之上 10 亿分之 1 度,即便那样也比空旷的宇宙空间冷得多。

最后有一个简单却深的约定。用一支温度计量一杯水,得到某个温度,再用同一支温度计量铁棒,又得到同一个温度,就可以用按钮把温度计挨个放到两边。如果两者都和温度计同一个温度,水和铁棒即使不直接相碰,彼此也是同一个温度。看起来太理所当然,可是这份理所当然正是温度这个概念成立的地基,这叫做热力学第 0 定律。A 和 C 平衡、B 也和 C 平衡,那么 A 和 B 也平衡,靠这条定律,叫做温度计的一个基准就能把世上所有东西的温度排成一列来比较。这条定律偏偏叫第 0 定律,是因为它比第 1 定律和第 2 定律更底层,可是那两条已经有了名字之后才补上,只好插进 1 号前面的位子。

实际应用整理一下,压力和温度都是把分子运动收成宏观世界的数字。压力是无数分子敲墙的碰撞之和,分子多或者快,压力就大,温度是一个分子具有的动能的平均,热就是分子快。两个物体一碰,快的一边把运动分给慢的一边,停在同一个温度,这就是热平衡。把温度降到底、分子运动停下的地板是绝对零度,摄氏零下 273 度,把这里定为 0 的刻度是开尔文,所以热力学总是用开尔文。而且各自和 C 平衡的 A 和 B 彼此也平衡,这条第 0 定律让温度计能够比较温度。下一讲看物质怎样随这个温度和压力分成固体、液体和气体的相图。
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