度(汽點)篱212°,駑了一方面使標準定得更準確,另·方面求其與最初 所定的標準儘可能符合。在1742年攝氏( Anders celsius,1701—174) 選擇另-標準,以冰點禽100°而以汽點篱0°,這不幸與以較熱的程度 駑較髙溫度的習慣不合。攝氏的助手斯托墨( Stromer)把溫標反過來, 以0碖冰點而以100°篱汽點。這就是現在所通用的攝氏溫標,是現在 物理測量的標準溫標
第一章溫度 熱學中所討論的物體的性質 麩學的目的在硏究物體的熱冾狀態的性質。由於這樣一個目的,在 熱學中描篙物體的性質有特殊的方法。本節的目的,就在說明熱學中 的猫寫方法,以作禽硏纥物體的熱的性質的基礎。 一倜物盤佔據一定的空間,並且可能隨時間而改變它的形狀和地 位。在热摹中所討論的一種重要的特殊情形是平衡態,這是這樣一種 狀態,在沒有外界影饗的條件之下,物體的各部分在長時間内不發生任 何夔化。換句話說,如果沒有外來的影響,這個物體將長期雜持着它的 吓衡態。現在所說的吓衡態與力學中所討論的卟衡態有所不同。力學 中的衡態只是單籠靜止的問題;在热學中的邳衡態不但要靜止,而且 要所有能觀察到的性質都不隨時間改變。纥竟有哪些性質來標誌熱學 中的吓衡態,這正是我們要研纥的問題。禽了與單純靜止的力學吓衡 區別開來,我們把熱學中的玊衡叫做熱動平衡。駑什麽在這個名詞上 除了熱字外還加上一個動字呢?這是因禽從分子運動方面看來,這種 衡是動的夲衡。避點在本節的末尾還要討諭。 實驗證明,當沒有外界影饗時,僩物體在够長的時閭內必將趨近 於吓衡態。假如有兩個物體原來都已經各自遂到了吓衡態,如果把他 們擺在一起,讓池們冮相影響,那末們將要改變他們的狀態,最後 到一個共同的吓衡態。然後,如果把兩個物體分開,而又把他們重新 放在一起,假若沒有外界影響,他們將不起新的變化而雜持恤們原有的 共同吓衡態。普涵說來,不管有多少物體冮相接觸互相影響,只要時間 (14)
1.熟學中所討論的物體的性質 够長,也沒有外界影響他們最後必定達到一個共同的不衡態 我們現在來討論如何描寫一個物體的玊衡態。駑明確起見,首先 討論一個固定質量的氣體装在一個封閉的容器裏面。因駑氣體的密度 很小,我們可以忽略重力的影響,那末,在吓衡態時氣體的密度和壓强 都將是均匀的也就是說,密度和壓强在容器裏面到處都是一檬的。現 在讓我們把氣體變熱些。一個很簡單的實驗就可證眀,氣體的體積由 於封閉在容器内而未有顯著的改艴,但是壓强却增加了。由此可見,要 描寫這個氣體的性質,至少要兩個量,一個是體積,一個是壓强,這兩樣 東西是可以獨立地改的。這兩個描篙氣體性質的物理量屬於兩種不 同的類型,體積是幾何粞數,壓强是力學巒數。 以上所說的描寫氣體的吓衡態所用的兩個變數,體積和歴强,也同 樣適用於液體和固體。但是在溶體和固體的問題上,除了這兩個變數 外,還需要加上一些其他的變數扌能描寫完全;在液體的問題上還需要 加上表面張力,在固體的問題上還需要加上各種脅强和脅變。所加的 這些數仍然還屬於幾何颏敷和力學麵數這兩種類型,不過獨立變數 的總數就不止兩個了。在普逼的情形下,一個物體可能是氣體液體固 體的混合體,那末對於這個物體的完全描寫需要對於亡的毎一個氣體、 液體、固體部分都有完圣描寫。 除了上濾幾何數和力學變數兩種物理量外,還需要一種化學變 數來描寫物體的化學性質。例如兩個氣體,一個是氮氣,一個是氧辄, 雖然他們的體積和壓强可以完全相同,但仍然是不同的氣體,也必須加 以區別。最常用的描寫化學性質的烻數是這個物體的化學成,還就 是這個物體所含各種化學租分的敷量。每個租分的數量可以用它的質 量來表示,也可以用它的克分子數來表示。 在有電磁現象出現的時候,以上三類變數的描寫仍然是不完全的。 駑要把電磁現象包括在描寫之中,我們必須加上-類新的柲數—電 磁變數例如電場强度,磁場强度等。有了這一類型的變數以後,描寫
第 温度 就完全了。鹣結起來,在燕學上對於一個物體的吓衡態需要用四類變 數去描寫扌能完全,這四類是:幾何變數,力學變數,電磁變數,化學變 數。四類變數都不是熱學上所特有的變数,他們的測量屬於力學、電 磁學和化學的範圍,他們與一個物體的熱冾程度並沒有什麽谄接的關 係。在下一節中我們將討論熱學上所特有的一種新的物理量溫度, 而且我們要說明溫度是我們現在所說的四類秘數的函数。雖然這四類 變數不是熱學上所特有的,但是利用這四類變數描寫一倜物體的玊衡 態的方法是熱力學上特有的方法,因此,用四類變數描寫的物體,有 時稱禽熱力學體系。 當一個物體的爷部分是完全一律的時候,它叫做均勻系,又叫做罩 相系,嵩這個物慍的各部分之間有些差别的時候,它叫做非均匀系,又 叫做複相系。我們最先所討論的氣體是一個均匀系或單相系。一個複 相系可以分篱若于個均匀的郃分,每一個均匀的部分在熱力學上做 個相。描寫一個複相系的衡態的數,是描寫其中谷個相的爕數 的鼴和。例如,一倜氣體和一個液體所組成的複相系,在不考慮電磁現 象和化學性質時,需要五個變敷來描寫它的凖衡態,逭五個變數是:氣 體的體積和壓强,液體的體積和壓强,液體的表面張力。但是這些變數 不是完全獨立的,因禽他們之間必須滿足一些關係,才能使整個複相系 達到吓衡。這些數之間的關俙,卟做吓衡條件,這將在26節討論,現 在不再談這個問題。 以上所說的描寫方法是關於衡態的。假如一個物體不在玊衡態, 饣的各部外在運動之中、變化之中,要描寫它就複雜多了。一個在運動 中的物镫,它的爷部分的性質各不相同,我們必須先把它分成很多的小 塊,對於毎個小塊給以上泚四類變數的描翕,毎個麵數都可能隨時間而 改變。除吒之外,還須知道毎一小塊的速度和蓮動方程.這類不衡 的尚題,現在還沒有普逼的熱力學理 .上面所說的在熱學上描寫物皚的性資的爕黢都是可以谊接觀測
2.溫度 的。這種描寫卟做宏觀描髙。在熱的分子學說中,對物體的性質用 個完全不同的方法來描寫,這種描寫吚做微觀描翕。微觏描寫所用的 趣數是养常之多的,它包含每一個孙子的坐標和動量。在標準溫度和 歴强下,每一立方厘米氣體含有27×101個分子,每個办子至少有三 個坐標,三個動量,一個立方厘米氣體的微觀機數至少有16×1020個, 可見薨數之多。這樣多的徽觀粳數如何與少數宏觏變數連起來呢?這 就是熱的子學說所要解決的問題。在就計物理學中要講到如何用觥 計方法得到宏觀變數,道些宏觀變數都是相應的微觏趟敷的函數的觥 計吓均傩。在吓衡態時這些秕計吓均值不隨時間改糙。在徽觏描寫中 玊衡態的概念,與在宏觀描寫中平衡態的概念不同。一方面,宏觀變數 只是一些秕計吓均值,必然有漲落現象在適當的保件下可以觀察到漲 落現象。另一方面,在平衡態時每個分子都在不停地運動着,只是蓮動 的某一些秕計不均量不隨時間改糖,這樣種平衡是動態牛衡。這是 热學中熱動衡區別於力學吓衡的又一個重要之點。 2.温度 在熟學裹的第一個題是如何希熟冷程度一個科學的测量。我們 燕冾程度一個數值表示,叫做温度測量溫度的儀器卟做温度計。我 們在選擇温度的數值表示法的時候,讓較熱的狀態有較高的溫度。不 同的物體在各種不同情形下的溫度所以能够互相比較,是根據1節裏 所說的一件事質,即兩個物體接觸以後在足够長的詩間内必將達到→ 個衡態。當兩物體已達到衡以後,我們的道覺認禽這兩個物 體一定是同檬的熱冾,因之温度相等。由此可以得到一個重要的論: 兩個互駑砰衠的物體,其温度相等。這個結論耠予溫度一個定性献定 義,這個定義把一個物體的溫度連繫到另一物體,這第二個物體可以選 標準而用篤溫度計。當然,這樣一個溫度定義是定性的,還是不完至 的,一個完全的定義應當還要包含有溫废的數值表示法