14.1 Temperature and Thermal Equilibrium

Thermal Equilibrium

To measure the temperature of an object, you place the thermometer in contact with the object. If you want to know the temperature of a cup of hot coffee, you stick the thermometer in the coffee. As the two interact, the thermometer becomes hotter and the coffee cools off a little. After the thermometer settles down to a steady value, you read the temperature. The system has reached an equilibrium condition, in which the interaction between the thermometer and the coffee causes no further change in the temperature of any part of the system. We call this a state of thermal equilibrium.

In a state of thermal equilibrium, the thermometer and the coffee have the same temperature. How do we know this? Consider the interaction of any two systems A and B. System A might be a hot potato and B a pan of cold water. We may use any kind of thermometer to monitor their temperatures; for example, we could use the tube-and-liquid system (Figure 14.1a) for system A and the container of gas and pressure gauge (Figure 14.1b) for system B. In general, when the two systems come into contact, the values of L and p change as the systems move toward thermal equilibrium. Initially, one system is hotter than the other; during the interaction, each system changes the temperature of the other.

If the systems are separated by an insulating material, or insulator, such as wood, plastic foam, or fiberglass, they influence each other more slowly. An ideal insulator is a material that permits no interactions at all between the two systems. It prevents the systems from attaining thermal equilibrium if they arenrsquo;t in thermal equilibrium at the start. This is why camping coolers are made with insulating materials. We donrsquo;t want the ice and cold food inside to warm up and attain thermal equilibrium with the hot summer air outside; the insulation delays this process, although not forever.

Zeroth Law of Thermodynamics

Now consider three systems A, B, and C that are initially not in thermal equilibrium (Figure 14.2). We surround them with an ideal insulating box so that they cannot interact with anything except each other. We separate A and B with an ideal insulating wall (the green slab in Figure 14.2a), but we let system C interact with both A and B. This interaction is shown in the figure by a gold slab representing a thermal conductor —a material that permits thermal interactions through it. We wait until thermal equilibrium is attained; then A and B are each in thermal equilibrium with C. But are they in thermal equilibrium with each other?

To find out, we separate C from A and B with an ideal insulating wall (see Figure 14.2b), and then we replace the insulating wall between A and B with a conducting wall that lets A and B interact. What happens? Experiment shows that nothing happens: The states of A and B do not change. We thus conclude that if C is initially in thermal equilibrium with both A and B, then A and B are also in thermal equilibrium with each other. This principle is called the zeroth law of thermodynamics. It may seem trivial and obvious, but even so, it needs to be verified by experiment.

The importance of this law was recognized only after the first, second, and third laws of thermodynamics had been named. Since it is fundamental to all of them, the label “zeroth” is appropriate.

The temperature of a system determines whether the system is in thermal equilibrium with another system. Two systems are in thermal equilibrium if and only if they have the same temperature. When the temperatures of two systems are different, the systems cannot be in thermal equilibrium. A thermometer actually measures its own temperature, but when a thermometer is in thermal equilibrium with another object, the temperatures of the two must be equal. A temperature scale, such as the Celsius or Fahrenheit scale, is just a particular scheme for assigning numbers to temperatures.

14.8 Solar Energy and Resource Conservation

The principles of heat transfer that wersquo;ve studied in this chapter have many practical applications in a civilization such as ours, with growing energy consumption and dwindling energy resources. A substantial fraction of all the energy consumption in the United States is used to heat and cool homes and other buildings,to maintain a comfortable temperature and humidity inside when the outside temperature is much hotter or much colder.

For space heating, the objective is to prevent as much heat flow as possible from inside to outside; heating units replace the inevitable loss of heat.Walls insulated with material of low thermal conductivity, storm windows, and multiple-layer glass windows all help to reduce heat loss. It has been estimated that if all buildings used such materials, the total energy needed for space heating would be reduced by at least one-third.

Air-conditioning in summer poses the reverse problem: Heat flows from outside to inside, and energy must be expended in refrigeration units to remove it.Again, appropriate insulation can decrease this energy cost considerably.

Direct conversion of solar energy is a promising development in energy technology. Near the earth, the rate of energy transfer due to solar radiation is about 1400 W for each square meter of surface area. Not all of this energy reaches the earthrsquo;s surface; even on a clear day, about one-fourth of the energy is absorbed by the earthrsquo;s atmosphere. In a typical household solar heating system, large black plates facing the sun are backed with pipes through which water circulates. The black surface absorbs most of the sunrsquo;s radiation; the heat is transferred by conduction to the water and then by forced convection to radiators inside the house.

Heat loss by convection of air near the solar collecting panels

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附录A 译文

14.1 温度和热平衡

热平衡

为了测量物体的温度，你将温度计与物体接触。如果你想知道一杯热咖啡的温度，你将温度计放入咖啡。由于两者相互作用，温度计变得更热，咖啡会稍微冷却。当温度计降落至一个稳定值。你读出温度。该系统已经达到一个平衡状态。其中，温度计和咖啡的相互作用不会导致系统的任何部分的温度进一步变化。我们称这种状态为热平衡。

在热平衡状态，温度计和咖啡具有相同的温度。我们是怎么知道的呢？考虑到任何两个系统A和B的相互作用，系统A可能是一个滚热的土豆，系统B可能是一锅冷水，我们可以用任何类型的温度计来检测它们的温度。例如，我们可以对系统A使用管-液系统（图14.1a），对系统B使用气体容器和压力计（图14.1b）。一般来说，当两个系统发生接触，L和P的变化值作为系统向热平衡移动。最初，一个系统比另一个更热，在相互作用期间，每个系统都改变了另一个的温度。

如果系统被绝缘材料或者绝缘体例如木头、塑料泡沫和玻璃纤维分离，它们相互影响的更慢。一个理想的绝缘体材料是不允许两个系统之间发生相互作用的，它阻止了在开始没有处于热平衡的系统达到热平衡。这就是露营冷却器用绝缘材料制造的原因。我们不希望用冰和冷的食物来温暖身体并与炎热的夏季外界空气达到热平衡，绝缘不能永远延迟了这个过程。

热力学第零定律

现在考虑三个最初不在热平衡的系统A,B和C（图14.2），我们用理想的隔热箱围绕它们，这样它们除了彼此无法影响任何东西，我们用理想的绝缘壁将A和B分开（图14.2a中绿色板），但是我们让系统C与A和B都接触。这种相互作用在图中表现为金板代表热导体-一种允许热相互作用通过的材料。我们等到它们达到热平衡，那么A和B分别与C达到热平衡，但是它们之间也是处于热平衡么？

为了找出答案，我们用理想的绝缘壁（见图14.2b）将C与A和B分开，然后我们将A和B之间的绝缘壁换成导电墙让A和B相互作用。会发生什么？实验表明什么都没有发生：A和B的状态没有改变。因此，我们得出结论如果C最初与A和B都处于热平衡，那么A和B彼此也处于热平衡。这一原理称为热力学第零定律。这也许琐细和明显，但即便如此，它也需要实验验证。

热力学第一、第二和第三定律都是在这条定律的重要性被证明后命名的。既然它是它们的根本，标签“零”是合适的。

一个系统的温度确定系统是否和另一个系统处于热平衡，两个系统处于热平衡当且仅当它们具有相同的温度。当两个系统的温度不同时，它们不能达到热平衡。一个温度计实际只能测量自身的温度，但是当温度计与另一个对象处于热平衡，两者的温度必须相等。温标，比如摄氏温标和华氏温标只是用于分配温度数字的特定方法。

14.8太阳能资源和资源保护

我们在本章中所学的热传递原则在一个文明中许多实际应用，例如我们的社会，不断增长的能源消耗和不断减少的能源资源。在美国所有的能量消耗的相当大的部分被用来加热和冷却住宅等建筑，也就是当外界温度更热或更冷时保持用来舒适的温度和湿度。

空间加热，目的是尽可能的防止从内到外的尽可能多的热量流动；供热单位代替不可避免的热量流失，导热系数低的材料做的绝缘墙壁，防风窗，多层玻璃窗都有助于减少热量损失。据估计，如果所有的建筑物中都是用这样的材料，空间加热所需要的总能量将至少减少三分之一。

空调在夏天带来了相反的问题：热量从外向内流动，能量必须在制冷机组被消耗以清除它.当然，适当的保温可以大大降低这种能量成本。

能源技术中太阳能直接转化是有前途的发展。接近地球的地方，由于太阳辐射能量转移的速率为每平方米表面积为约1400瓦。并非所有的能量都到达地球表面;即使在晴朗的日子里，大约四分之一的能量被由地球大气层吸收。在一个典型的家用太阳能采暖系统里，管道通过水循环来支持迎着阳光的大黑板。黑色的表面吸收大部分太阳辐射;热量被传导传递到水中，然后通过强制对流来对屋内散热。

邻近太阳能收集板的空气对流导致热量损失，是由于覆盖它们的玻璃，与玻璃和面板之间的薄的空气空间减小。一个绝缘的热库收集和存储能量以便在晚上和阴天使用。许多较大规模的太阳能转换系统，包括风车，目前也是正在研究;我们将在第16.9讨论几个例子。

从环保的角度来看，太阳能拥有超过使用化石燃料或核能（煤或石油燃烧）的多重优势。化石燃料会用完;太阳能发电将继续下去。获得化石燃料也许涉及露天采矿，导致对景观的相关的破坏和其他有用的土地功能的消除，比如农业或木材。海上石油钻井是海洋水体污染的来源。燃烧产物导致的空气污染是一个熟悉的问题，例如酸雨，在许多情况下这直接归因于煤烟。对于所谓温室效应烃的燃烧产生的过量的大气二氧化碳是主要贡献者。许多负责科学家认为，除非温室气体排放量大幅减少，温室效应对我们的气候的长远影响将是严重的甚至是灾难性的。

核电站和处置放射性废料的问题会造成辐射危害。太阳能避免了所有这些问题。一些实际问题仍然需要解决，包括安装成本高，夜间和阴天能量储存设施的需要。

智能考虑的太阳辐射在建筑物的设计的影响，也可以减少能量在加热和冷却中的消耗。在最近几年，人们在在设计与节能建筑物方面的意识相当大的增长。保护环境的需要是紧迫的，而在今后几年里无疑将变得更加如此。

15.3理想气体动力学理论

我们已经研究了散装物质几个属性，包括弹性，密度，表面张力，状态方程，和热容，和通过引用引用的分子结构.现在，我们希望更详细地看一下合计的（宏观）行为到微观结构的关系。我们开始与物质的分子结构进行了一般性讨论。然后，接下来的两节中，我们将开发一个理想气体的动能分子模型并推导出状态方程，并从该分子模型得到摩尔热容的表达式。

物质的分子性质

所有熟悉的物质都是由原子或原子连接的群体构成的。为方便起见，我们将使用术语分子来指一种物质的最小单位，即使在情况下，这个单元是单个原子。单个原子是在大小10-10米的量级上;最大分子中含有许多原子，有10000倍或更多倍大。在气体中，分子运动几乎独立;在液体和固体，它们通过电性的分子间力聚集在一起，从带电粒子构成分子的相互作用而产生这种力。与电场力相比较分子之间的引力是可以忽略不计。

当气体分子相距很远，它们之间的电力是非常小的，通常是吸引力。当气体被压缩并且其分子彼此接近时，吸引力增加。在足够小的距离，分子间的吸引力是大到足以使该材料凝结成液体或固体。

分子总是在运动，其动能通常随温度而增加。在固体中，分子振动或多或少有固定的中心。在结晶固体中，这些中心排列成重复晶格。图15.8示出了氯化钠的立方晶体结构（普通食盐）。硅晶体的表面的扫描型隧道显微镜照片示于图15.9。每个“珠”是一个硅原子上。

在液体中的分子间距离通常比在相同的固体物质中相仅稍大，但该分子具有更大的运动的自由度。液体表明结构规律只存在于一些分子的附近。

气体的分子通常是广泛分离，彼此之间仅仅有非常小的吸引力。气体分子在一条直线上移动，直到它与另一种分子或与容器壁碰撞。对分子而言，理想气体是一种彼此分子间不施加吸引力，因此没有势能的气体。

在低温下，最常见的物质是在固体形态。随着温度的升高，物质熔化，然后蒸发。从一个分子点来看，这些转变是在方向上提高分子动能。因此，温度和分子动能密切相关。

理想气体分子运动论

物体的任何分子理论的目的是要了解物质在原子或分子的结构和行为方面的宏观性质。这种理论是巨大的实际意义;一旦我们有了这样的认识，我们可以设计具有特殊需要的性能的材料。这样的分析已经推导出高强度钢材，具有特殊的光学性质的眼镜，半导体材料的电子器件，和无数当代技术所必需的其它材料。

分子理论的一个最简单的例子是一种理想的气体的动能分子模型。在这一模式的帮助下，我们能够理解理想气体的行为之间的关系，包括理想气体状态方程（15.3式）和气体的摩尔热容，牛顿定律。接下来的发展有几个步骤，你可能需要去复习好几次以便掌握它是如何聚集在一起的。不要灰心！

15.5 热力学第一定律

能源，热和功

对国家能源关系，确切地说，我们会一直使用热力学系统的概念。我们将会讨论热和功这两种传递能量进出系统的方式。这个系统可能是在一个涡轮中的一些膨胀蒸汽。空调中的制冷剂，其他一些特定数量的材料，或者，有时是特定的设备或生物体。热力学系统（图15.14）是一个能与周围环境或者环境以至少两种方式，其中之一是热传递相互作用（和交换能量）的系统。一个热力学系统的熟悉的例子是一定量的气体密闭在一个有活塞的汽缸类似于气瓶在内燃机中。能量可以通过热传导加入系统中。并且系统也可以作为气体做功施加一个力在活塞上并通过一个位移移动它。热力学系统与所有其他的，在开始必须明确界定什么包含什么不包含在系统中是很重要的。只有这样，我们才能明白的描述能量转移流入和流出该系统。

热力学在实际问题中有其根源。在汽车发动机和飞机的喷气发动机使用它们燃料的燃烧热来推进车辆执行机械工作。食物在活的生物体中肌肉组织代谢化学能对生物体周围执行机械功。一种蒸汽机或汽轮机使用煤炭或一些其他燃料的燃烧热来执行机械功，例如操作发电机或拉一列火车。

在所有这些情况下，我们就加入系统的热量Q数量和系统所做的功W来描述能量关系。Q和W可以是正或负，图15.14展示了我们将使用的符号规定。在之前章节中，Q的正值表示热量流入系统，有相应的能量输入系统。负Q表示热量从系统流出。W的正值表示系统向外推周围环境所做的功，例如膨胀的气体做功。因此，正功对应于能量离开系统。负W，例如当气体被压缩气体对周围环境做的功，表示能量进入系统。我们将在本章和下一章例题中运用这些规则。

在这次讨论中，我们将主要关注平衡过程。在这样的过程中，热传递发生的很慢所以系统总是接近热平衡（就是说，系统温度始终统一），另外，体积变化足够缓慢，因此系统总是非常接近机械平衡（就是说，系统压力始终统一）。包括这两个条件，我们才说热力学平衡状态。在非平衡过程中，不存在单一温度或压力作为该系统的整体。

16.5热力学第二定律

试验证据表明，不可能建立一个把热完全转化为功的热机，也就是发动机有100%的热效率。这不可能是热力学第二定律的一种形式的基础：

热力学第二定律（发动机声明）：

系统始末状态相同时，任何系统都不可能经历从单一温度源吸收热量并将热量完全

转化为机械功的过程。

我们称之为第二定律的“发动机”声明。

热力学第二定律的基础在于内能的性质和宏观机械能的差异。在运动的物体中，分子在随机运动，但是叠加在物体速度方向的每个分子上的是协调运动。与协调宏观运动有关的动能就是我们所说的运动物体的动能。与物体分子的随机运动有关的动能和势能构成了内能。当一个运动的物体由于摩擦或非弹性碰撞停止运动，运动的有规律部分转换为运动的随机部分。由于我们无法控制单个分子的运动，我们无法将随机运动完全变成有规律的运动。我们只能转化一部分，这就和热机一样。

如果第二定律是不正确的，我们可以通过冷却周围空气来驱动汽车或简单的运行一个发电厂来获取能量。这些不可能的情景都违反了热力学第一定律。第二定律不是从第一定律里扣除的，而是作为自然的独立定律。第一定律否认创造或销毁能量的可能，第二定律限制能量的可用性和能量使用和转换的方式。

我们在16.4章对冰箱的分析形成了热力学第二定律的替代声明的基础。热量自发的从热的物体向冷的物体流动，永远不会逆转。冰箱是从冷到热的物体获得热量但是它的运行依赖于机械能或功的输入。概括这个观察，我们陈述如下原则：

热力学第二定律（冰箱的声明）：

对任何进程都有唯一的热量从冷的物体向热的物体转移的结果是不可能的。

我们将这称为第二定律的“冰箱”声明。这可能与“发动机”声明不是密切相关。事实上，这两种说法是完全等价的。例如，如果我们能建立一个无功冰箱，违反第二定律的“冰箱”声明，我们能用它结合热机去泵发动机排出的热量回储热机构重复使用。该复合机（图16.9a）违反热力学第二定律的“发动机”声明因为它的净效应将会从储热结构采取一定量的热量完全转化为功W。

另外，如果我们能够使发动机达到100％的热效率，违反了第一条声明，我们可以通过从热储层取热来运行它。然后，我们可以使用输出的功来驱动冰箱，从冷贮到热泵送热量（图16.9b）。这种复合装置将违反“冰箱”的声明，因为它的净效应将是从冷储采取热量，并将其传递到热储层，而无需任何功的输入。 因此，违反第二定律的一种形式的任何装置也可用来制造违反其他形式的装置。换句话说，如果违反了第一种形式是不可能的，所以对第二个也是违规的！

功转化为热量，如在摩擦或粘性流体流动，热量跨越有限温度梯度从热流向冷是不可逆过程。 第二定律声明的“发动机”和“冰箱”语句的过程仅可以部分地逆转。下面是另外两个例子：气体总是自发从高压力区域向低压力区域的开口渗入;而且留下气体总是倾向于混合，绝不会不混合。图16.10显示了两种液体自发混合。

热力学第二定律是这些和许多其他不可逆过程的固有单方面的一种表现。能量转换是所有植物和动物的生命和许多机械设备的的一个重要方面，因此热力学第二定律是我们生活的世界极为根本和重要的。

16.9 能源：热力学案例研究

热力学定律很一般的限制在能量从一种形式到另一种转换。在这个能源需求日益增加和资源逐渐减少的时代，这样的事情是极其重要的实际意义。我们经过简短的讨论总结概括了这一章的一些能量转换系统，现在提出了一些建议。

在美国大约一半电力产生是从

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