大学物理：第1章 平衡态和状态方程

1热学2热学第1章热力学系统的平衡态及状态方程(2.0)第2章热平衡态的统计分布律(4.0)第3章近平衡态中的输运过程(2.0)第4章热力学第一定律第5章热力学第二定律和第三定律第6章单元系的相变与复相平衡3引言热学研究内容：1.物体热运动的(性质和)规律；2.热运动对物体宏观性质的影响；3.热运动与物质运动其他形式之间转化规律。热运动：组成宏观物体的大量微观粒子的永不停息的无规运动。研究对象：由大量微观粒子组成的热力学系统。研究方法：宏观和微观两种。热力学研究物质热运动的宏观理论统计物理学研究物质热运动的微观理论4宏观：根据大量观测事实，通过比较严格的逻辑推理和演绎，归纳总结出关于物质各种宏观性质之间的关系以及宏观过程行为的方向、限度的规律。——得到的规律为热力学定律优点：得到的结论是可靠的、普适的。缺陷：不能揭示宏观规律的微观本质。微观：从系统由大量微观粒子组成的前提出发，根据一些微观结构知识，把宏观性质视为微观粒子热运动的统计平均效果，运用统计的方法，找出宏观量与微观量的关系，确定宏观规律的本质。——统计力学方法二者相辅相成，彼此联系又互相补充优点：认识比较深入。缺点：微观模型本身存在假设，与实际情况有一定的出入5热力学系统状态平衡态近平衡态非平衡态热力学第一定律（第一类永动机不能实现）热力学第二定律（第二类永动机不能实现）热力学第三定律（绝对零度不可实现）宏观描述微观描述相相变基本规律热力学第零定律（温度计可以制造）第一章平衡态和状态方程1.1物质结构的基本图像1.2热力学系统及其状态参量1.3平衡态的概念1.4

温度和温标1.5状态方程与理想气体的状态方程理想气体的压强公式和状态方程范德瓦耳斯状态方程671.1物质结构的基本图象1.物质由分子、原子等微观粒子组成的；分层次的2.物质的分子、原子处于永不停息的无规则的热运动状态3.分子之间存在相互作用力分子之间有吸引力固体、液体很难被压缩分子之间存在排斥力分子之间相互作用力分为：吸引力和排斥力两部分气体冷却或压缩可以形成液体1.当r<r0，分子间有强大排斥力2.当r>r0，分子间表现为吸引力3.r，0，f0，分子成为自由粒子8物质的微观理论—分子间相互作用结合能平衡位置10-10m0.1～5eV离子键共价键范德瓦尔斯键氢键9Brownianmotion英国植物学家布朗(R.Brown)在显微镜下观察到悬浮在静止液体里的花粉不停地做无规则运动。10物质的微观理论—分子热运动爱因斯坦(1905年)和斯莫陆绰斯基(Smoluchowski,1906年)、郎之万(Langevin,1908年)关于布朗运动的理论工作，证明了布朗粒子位移平方的平均值正比于时间t1908年皮兰(Perrin)实验证实Fig.1FluctuationofHSIduringtheperiodJan.3,1994toNov.30,2000.Theperiodischaracterizedbythe1995‘bearishmarket’andthe1997-98crash.StevenZhucoolingandtrappingatomsusinglaserlight证实原子存在的人11物质的气态、固态、液态势能Ep动能Ek><≈12物质的气态、固态、液态气体——非凝聚态，分子位置相互间没有关联直径10-10m间距10-9m273K时，N2平均速率400m/sH2平均速率1700m/s13完美晶体离子键共价键金属键范德瓦耳斯键氢键物质的气态、固态、液态14晶体与对称性7个晶系14种Bravais格子旋转，镜面32个点群平移群230个空间群平移15准晶体完美的晶体只具有1，2，3，4，6次对称轴D.Shechtman,I.Blech,D.Gratias,andJ.W.Cahn,"Metalicphasewithlong-rangeorientationalorderandnotranslationalsymmetry,"Phys.Rev.Lett.

53(1984)1951-1953.

1984年,Shechtman等在寻找既轻又硬的Al合金中,在急冷的Al-Mn合金中获得了具有五重对称,斑点明锐的电子衍射图,定出其点群为m35.准晶体郭可信:五次、八次、十二次对称PenrosePattern16新型晶体光子晶体纳米材料17非晶体18物质的气态、固态、液态流体分子间相互作用不可忽略，又不像固体那样紧密束缚，可以用范德瓦耳斯方程定性描述液体液体——稠密的气体19表面张力201.2热力学系统及其状态参量1.热力学系统及其分类1)系统与外界系统：由大量微观粒子组成的在给定范围内体系外界：与热力学系统发生相互作用的其他体物体或者体系2)热力学系统的分类

根据系统与外界的关系分类开放系统——既可以有物质交换又有能量交换封闭系统——无物质交换但可能有能量交换孤立系统——既无物质交换又无能量交换

根据系统的组成成分来分单元系多元系

根据系统组成的均匀性对热力学系统进行分类单相系复相系2.热力学系统的状态参量几何、力学、电磁学、化学和热学21热力学系统与外界的关系热力学系统环境粒子源物质交换封闭系热源绝热系热量功力开放系孤立系信息等其他作用绝热壁221.3平衡态的概念气体扩散非平衡态：平衡态：稳定态：在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质可以自发地发生变化的状态。在没有外界影响的情况下，系统各部分的宏观性质长时间地不发生变化的状态。在外界影响下，系统的宏观性质长时间地不发生变化的状态。100C00C0经过足够长的时间后，系统的各部分分别具有确定的温度。稳定态和平衡态的区别在于是否存在外界影响。23说明：1)平衡态充分必要条件：没有外界影响，宏观性质长时间保持不变只有当系统处于平衡态时，状态参量才有确定的意义和数值2)在微观上看，平衡态是热动平衡。宏观性质存在小幅度的涨落3)平衡态的具体表现：力学平衡压强均匀热平衡温度处处相同化学平衡无宏观粒子流动、浓度相同、化学反应达到平衡、无化学成分变化、无物相变化等。244)平衡态是一个理想概念。弛豫时间：热力学系统由初始的非平衡态过渡到平衡态所

需要的时间。特征时间：某一扰动或者操作所需要的时间。系统的特征时间>>弛豫时间活塞运动时间(特征时间)在1~0.1s，

气体内部弛豫时间10-2~10-3s

则系统的每一个瞬时都可看成处于平衡态。251.4温度与温标1.温度表征物体的冷热程度AB导热板

两个冷热不同的物体通过长时间热接触宏观性质不再变化的状态称为热平衡，此时称两个物体具有相同的温度。ABC若A和

B、B

和C

分别热平衡，则A

和C一定热平衡。

(热力学第零定律)处在相互热平衡状态的系统拥有某一共同的宏观物理性质——温度相同26热力学第零定律是关于温度相同的最基本的原理，并阐明了判断不同物体温度高低的方法的基本原理。热力学第零定律名字的由来1939年否勒（R.H.Fowler)八十多年前，热力学第一定理、热力学第二定律已经被提出！从逻辑和热学的概念、规律的基本程度上看，该原理应在热力学第一、第二定律之前，所以将热平衡定律称为热力学第零定律。可将C作为温度计，将C的某一状态参量值与温度联系起来，则通过C与A，B分别接触后达到的热平衡状态时C上引起的不同变化可以确定AB温度的相对高低272.温标温度的数值表示法。建立温标的三要素：1)测温物质气体、液体、固体均可。2)测温属性用来标定温度的物理量。选取与温度有显著的单值函数关系的物理量；气态：体积或者压强作为测温属性。固体：通常选用电阻、发光强度等作为测温属性。3)固定标准点为标定温度的数值所规定的标准点及其相应的温度值。28(1)经验温标不同温度计测得的温度不同！二氧化碳定压水银铂-铂铑热电偶铂电偶摄氏:水冰点0C，水沸点100C华氏:冰和盐水混合物0F，水沸点212F由经验温标确定的温度缺乏共同的标准，需要寻找与测温物质无关的标定温度的方法。不同温度计相对于氢定体温度计的偏差规定测温属性与温度之间满足线性关系29(2)理想气体温标对于一定量的理想气体，在体积不变时，有对于一定量的理想气体，在压强不变时，有Ttr=273.16K，

Vtr，ptr为水的三相点的体积、压强。水的三相点(triplepiont)Ttr冰、水和水蒸气三相共同存在并达到平衡的状态。规定标志温度变化的物理量与温度之间满足线性关系30当气体越稀薄，发现不同气体所测温度的差别越小，当p0时差别趋于零用定体气体温度计测量水的汽点温度时，三种气体在不同时的温度读数这样建立起来的两个温标是完全一致的，叫理想气体温标。31理想气体：压强极低情况下的气体。理想气体温标用T表示，单位为开尔文(Kelvin)，记为K。理想气体温标与所用的工作物质的化学组分无关，

即不依赖于具体的气体。与摄氏温标之间的关系为T(K)=273.15+t(C)(3)热力学温标(绝对温标)在热力学第二定律的基础上可以建立不依赖于任何测温物质的

具体测温属性的温标可以证明在理想气体温标适用的温度范围内，理想气体温标是热力学温标的具体实现形式。(4)国际适用温标通过约定一系列物质的温度的固定点、特殊温区作为标准测量用的内插仪器及其测温属性形成国际实用温标321.5状态方程与理想气体的状态方程1.状态方程的基本概念一个均匀的热力学系统，物质的量一定体积V，压强p和温度Tp-V-T系统状态方程是指系统处于平衡态时，各参量之间的函数关系或者状态参量态函数热学中常用的热力学态函数还有内能U

、焓H、熵S

、

自由能F

和自由焓G

等。33纯物质的p–V–T

图(a)溶解时膨胀的物质如CO2的p–V–T曲面的一般形式(b)溶解时膨胀的物质如CO2的p–V平面上的物态342.理想气体状态方程1)1mol理想气体的状态方程2)对于vmol理想气体3)对于质量为M的理想气体4)对于有几种组分组成的均匀混合理想气体其中，称为道尔顿分压定律(混合气体的压强之和等于各组分气体压强之和)。/nju://mju:/理想气体的条件:Ⅰ)组成气体的微观粒子都是质点，并遵从牛顿力学定律；Ⅱ)粒子之间除碰撞的瞬间外无相互作用；Ⅲ)粒子之间的碰撞、粒子与容器之间的碰撞都是完全弹性碰撞理想气体是“永久气体”35理想气体方程描述的气体，由于没有分子之间的的相互吸引力，无法凝聚起来，不会发生从气态变为液态的相变。36例1

C的导热性能很差，很细，其容积可以忽略不计。测量时，先把温度计在室温T0下充气到压强p0并密封起来，然后将B侵入待测物质。设B中气体与待测物质达到平衡后，A的读数为p，试求:待测低温温度T(用VA,VB,p0,T0,p表示）。压力计B测温泡C毛细管A气体温度计测量低温温度A:质量M,T0,p0,VA测前B:质量m,T0,p0,VBA:质量M-m,T0,p,VA测后B:质量m+m,T,p,VB(1)(2)(3)(4)(5)(3)、(4)改写后相加得(6)(6)-(5)得(1)+(2)得373.理想气体压强的初级微观理论1)理想气体的微观模型实际微观粒子之间有相互作用，有体积非质点。短程很强的排斥力微观粒子具有体积非质点长程相互作用力一般都比较弱标准状态下，1摩尔气体，V=22.4升，N=6.021023个。分子间的平均距离气体直径约为10-8cm温度较高、压强较小时组成气体的微观粒子的大小与其间距相比通常可以忽略理想气体的条件:Ⅰ)组成气体的微观粒子都是质点，并遵从牛顿力学定律；Ⅱ)粒子之间除碰撞的瞬间外无相互作用；Ⅲ)粒子之间的碰撞、粒子与容器之间的碰撞都是完全弹性碰撞利用统计方法寻找宏观量与相应微观量的平均值的联系382)理想气体的压强公式压强：单位面积上所受到的正压力。考察截面SS两侧附近的分子之间相互作用对S产生压力；携带动量穿过S的分子也对截面S产生压力。理想气体除碰撞的瞬间分子之间无相互作用压强仅由组成气体的分子的运动产生。理想气体的压强：大量分子在单位时间施加在单位器壁面积上的平均冲量。 一个分子碰撞器壁，给器壁的冲量为SxSvixtt时间内有多少速度为的分子运动到S，并与之发生碰撞？39设单位体积内具有速度vix的分子数密度为ni,t时间内具有vix且与S碰撞的分子数为具有速度Vix的分子给予器壁总冲量为在t时间内可能碰到S的所有分子的总冲量所有vix>0的分子才可能起作用，单位时间作用于单位面积上的力Svixt40因为系统处于平衡态，所以vix>0和vix<0各占一半。除去vix>0的限制，则有对于与y轴和z轴相垂直的容器壁，同样可以得出由于是平衡态，41设分子的平均平动动能压强是大量气体分子碰撞器壁给器壁的冲量的结果。描述了分子运动的剧烈程度，分子运动越激烈，平均平动动能越大42运用统计方法研究热现象微观机制从一定的微观模型出发利用统计方法得出宏观量与相应微观量的平均值之间的关系宏观量的实质，是大量分子作用的结果433)温度的统计意义玻尔兹曼常数kB=R/NA=1.38065810-23J/K(1)温度是系统内部分子无规则热运动的剧烈程度。(2)温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。(3)从形式上看T0时，分子热运动趋于停止。而事实上分子热运动永不停止，热力学温度的零点不可能达到。此时气体不能看成理想气体，公式不成立44例题2一容器内储存有氧气，其压强为1.01325105Pa，温度为27C，

求：1)单位体积中的分子数；2)氧气的密度；3)氧分子的质量；4)分子的平均距离；5)分子的平均能量；6)若容器是边长为0.30m的正方形，当一个分子下降的高度等于边长时，其重力势能改变了多少？并将重力势能与其平均平动动能比较。解：1)已知氧气的压强、温度，2)453)设氧气分子的质量为m，则有4)设分子间的平均距离为，则有5)重力势能改变6)若容器是边长为0.30m的正方形，当一个分子下降的高度等于边长时，其重力势能改变了多少？并将重力势能与其平均平动动能比较。464.范德瓦耳斯方程1873年，范德瓦耳斯(J.D.vanderWaals)1)分子具有一定体积的刚性小球2)分子之间具有一定的吸引力，引力半径为re分子体积修正*由于分子具有体积，其他分子自由活动的空间减小1摩尔气体容积Vm，则气体分子所能活动的空间体积为Vm-bb：反映气体分子所占有体积的修正量。可以证明，b等于1mol气体内分子体积总和的四倍，则即b=4NAv0。由于分子有效直径的数量级为10-10m，则b的大小可估算为：在标准状态下，1mol气体的体积为22.410-3m3，b仅为Vm的万分之四，是可以忽略的。但p时则应如实考虑b的影响。47确定b：

假设在气体内除某一分子外，其他分子都“冻结”在一定的位置上，分子在运动过程中不断与它们相碰。用d表示分子的有效直径。当分子与任一分子相碰时，它们中心间距离为d。设想分子收缩成一个几何点，而其他分子的直径都扩展为2d，则碰撞时与中心间距仍保持为d，即当分子趋近任一其他分子时，的中心将被排除于直径为2d的球形区域外，实际上只有这些球形区域面对着分子的一半是的中心不可能进入的，则b的修正量为分子之间引力对压强的修正*作用球re：分子引力作用的有效距离aredd48re1)当作用球在气体内部1摩尔气体的范德瓦耳斯方程为：2)当作用球的一部分落在器壁外p称为内压强p=(单位时间内碰壁分子数)(一个分子碰壁冲量的减少值)与单位体积内的分子数n成正比与分子引力的合力成正比，且与吸引分子数成正比，即与n成正比引入比率系数a，则变为四周分子对中心分子a的作用力球对称，不影响a的运动。分子球内部分子对a的吸引力

指向气体内部，结果a给器壁的冲量减少。49对于M千克气体，有物质摩尔数为其体积为则方程变为而范德瓦耳斯方程加上麦克斯韦“等面积原理”，可以描述实际气体的气液相变和临界点现象。描述的理想气体是“永久气体”；50范德瓦耳斯

(JohannesDiderikVanDerWaals1837－1923)因在气态和液态方程方面的研究工作，获得了1910年度诺贝尔物理学奖。1873年，36岁的范德瓦耳斯以题为《论气态和液态的连续性》的论文获得了博士学位。在这篇论文中，他提出了范德瓦耳斯方程。相对于其他实验工作者提出的模型和状态方程，范德瓦耳斯方程是最有用的，受到了广泛的重视和应用。首先，它比较简单，突出了决定流动性的分子的特征；其次，它又能指出气体有三相点，且能与在临界温度下可液化等性质相符合。当时的实验发现，如果某一种气体的温度不在临界值之下，那么它是不能只通过改变压强来液化的。从范德瓦耳斯方程出发，临界温度，临界体积，临界压强都可用a，b表示出来，且与实验结果完全相符。1880年，范德瓦耳斯还发现了对应定律。该理论预言了气体液化所必需的条件，对所谓“永久”气体的液化具有重要的指导作用。51范德瓦耳斯（Johannes,DiderikVanderWaals,1837-1923）1837年11月23日出生于荷兰的莱顿，曾任中学教师、校长等职。1873年他在“论气态和液态的连续性”博士学位论文中，在考虑了分子体积和分子间引力的影响后,推出了著名的范德瓦耳斯物态方程，论证了汽液态混合物不仅能以连续的方式相互转化，而且事实上它们具有相同的本质。他并且进一步地推导出了该气态方程中体积修正项b为分子固有体积4倍的结论。由此他进入了当时第一流物理学家的行列。

1880年，范德瓦耳斯又发表了他的重大发现“对应态定律”，指出“如果气体的压强、体积、温度分别表示成各对应量的临界值的单调函数时，则可得到适用于所有物质的物态方程的普遍表达式。”在该定律的指导下，杜瓦于1898年制成了液态氢，卡末林－昂内斯与1908年制成了液态氦。

1890年，范德瓦耳斯又提出了“二元混合物”理论。随后又提出毛细现象的热力学理论等。由于范德瓦耳斯在气体和液体状态方程的建立方面所做作的工作，他被授予了1910年的诺贝尔物理学奖。第一章平衡态和状态方程

基本要求1.1物质结构的基本图像1.2热力学系统及其状态参量1.3平衡态的概念1.4温度和温标理想气体温标用T表示，单位为开尔文(Kelvin)，记为K。与摄氏温标之间的关系为T(K)=273.15+t(C)1.5状态方程与理想气体的状态方程理想气体的压强公式和状态方程范德瓦耳斯状态方程521.5状态方程

理想气体的压强公式和状态方程

53玻尔兹曼常数kB=R/NA=1.38065810-23J/K温度是系统内部分子无规则热运动的剧烈程度。范德瓦耳斯状态方程END5455思考1.饮水鸟原理2.热水冻结速度快还是冷水结冻速度快？3.冬季为什么要生火？夏天为什么要冷气？推荐图书《溯源探幽：熵的世界》56温度大观存在着109种生物大分子如果温室效应使得平均气温升高3度，海平面将上涨2-5米，迫使10亿人背井离乡冰河期下降10度，大批物种灭绝}Iter国际热核聚变实验堆冶金纵火液氧90K液氮77K1908Onnes液氦4K1956莱顿大学绝热去磁1.4mK2000HelsinkiUniversityofTechnology100pK1898Dewar液氢20KLHC57揭秘温度：对撞机制造4万亿度高温为何未烧毁最近，美国科学家制造出了4万亿度的高温，这个匪夷所思的数字让人很难把它和“北京夏天40摄氏度高温”联系起来。4万亿度的高温是如何“测”出来的，这样的温度意味着什么？温度确实是一个非常难以理解又引人入胜的话题，当我们说温度时我们在说些什么呢？通过“马德堡半球”实验，科学家终于发现气体体积、压力和温度之间存在着复杂的关系摄氏温标是由摄尔修斯发明的“布莫让星云”是宇宙中已知最冷的地方581建立热力学，路漫漫从直观上来说，温度和人对冷热的感受有关。冷热是人类最容易直观地感觉到，但同时又最晚被理解的现象之一。从人类诞生之日，就已经注意到春暖冬寒，有些古人还试图从理论上解释冷热的原因，比如东汉的王充曾写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”但是真正从科学上研究热的热力学还是1656年才出现的。当年，爱尔兰科学家波义尔和英格兰科学家胡克继续“马德堡半球”实验开创的气体真空研究，终于发现气体体积、压力和温度之间存在着复杂的关系。

1714年，荷兰人华伦海特(DanielFahrenheit)改良水银温度计，定出华氏温标，建立了温度测量的一个共同的标准，使热学走上了实验科学的道路。1824年，法国科学家卡诺，第一个把热和动力联系起来，是热力学的真正的理论基础建立者。经过许多科学家两百年的努力，到1912年，能斯脱(WaltherHermannNernst)提出热力学第三定律后，人们对热的本质才有了正确的认识，并逐步建立起热学的科学理论。592计量温标是何物？热学的基础是温度，如果连温度计量标准都没有，那么我们今天的温度标准是怎么来的呢？摄氏温度是目前世界使用比较广泛的一种温标。它是18世纪瑞典天文学家摄尔修斯(AndersCelsius)提出来的。在1标准大气压下，他把水的沸点定为0℃，水的凝固点定为100℃，其间分成100等分，1等分为摄氏1度。但是，在使用中，这种从低到高的排列从人们感到很不方便。第二年，摄尔修斯就把该温度表的刻度值颠倒过来使用。这种温度表被称为摄氏温标(又叫百分温标)。后人为了纪念摄尔修斯，用他的名字第一个字母“C”来表示。在美国，人们采用华氏温标。我们知道“华氏451”是纸燃烧的温度，有时还听说谁发烧到“102华氏度”这样的说法。那么，华氏度是怎么回事呢？华氏温标是1714年由荷兰人华伦海特制定的。在这一年，他制成了第一支玻璃水银温度计。最初，华氏温标以NH4Cl(氯化铵)和水的混合物的温度为0℉，而以人(他妻子)的体温为100℉(后来修正为96℉)。此后，改为冰水混合物为32℉(即冰点)，而以水沸点的温度为212℉，这就是华氏温标。由此可知，摄氏温度和华氏温度的思路完全一样，只是0点不同，刻度大小也不一样。就温度范围来说，摄氏温标1度等于华氏温标9/5度，而0℃相当于32℉，所以把华氏度减去32，再乘以5/9就得出摄氏度。利用这个换算公式，可以知道“华氏451”等于233℃；而“102华氏度”相当于39℃，发烧到这个温度还死不了人。603寒冷温度有条“底线”有了温度计，人们可以更深入、更准确地研究热。最初，科学家们认为热是一种单独存在的物质。这个理论被称为“热质说”。这种说法把传热过程看作是“热质”的流动过程，并且产生了“热质守恒定律”。这种学说没法解释摩擦生热，所以一直受到挑战。1798年，英国物理学家伦福德通过摩擦生热的实验提出热是物质的一种运动形式。1799年，英国科学家戴维的冰摩擦生水的实验更推翻了热质说。现在，科学家已经确认热不是一种单独的物质，而是物质内粒子无规则运动造成的现象，而温度正是度量这种无规则运动强度的方法。所以，我们可以这样粗略地理解温度：温度高就说明物质内粒子无规则运动速度大，反之说明物质内无规则运动速度小。实际上，物质内粒子的运动速度并不相同，温度是“粒子运动激烈程度(动能)平均值的一个指标”。它是一个相当不容易理解的概念。根据温度的定义，无论是摄氏温度还是华氏温度，它们的“零度”都不是真正的“零度”。因为在此温度下物体的粒子还在做着相当激烈的运动。那么，温度有没有最低值呢？科学家认为，这个最低温度确实存在，被称为“绝对零度”，它等于-273.15℃。不过，宇宙中没有什么地方是绝对零度，因为只要有物质，多少会受到周围辐射等因素的作用而产生粒子的运动。宇宙中最冷的天体“布莫让星云”(BoomerangNebula)的温度是-272℃。同时，根据热力学第三定律，热量只能从温度高的物体传到温度低的物体，要使物体降温到绝对零度，只能用低于这个温度的物体来吸取它的热量，这肯定是不可能的，所以人工也没法制造出绝对零度。现在，科学家只能制造出比绝对零度高出10-10摄氏度的低温。有“绝对零度”，就有“绝对温度”。绝对温度以绝对零度为零度，温度间隔和摄氏度一样，其单位是开尔文(K)，绝对温度等于摄氏温度加273.15。614炽热温度高，未必热定义了零度，我们就可以定义更高的温度。水银温度计根据汞热涨冷缩原理制成。它一般只能被用于测量150℃以下的温度。一旦超过2000℃，任何需要热传递的接触式温度计都没法用了。不过，不用接触传热科学家们也能测温。基于温度和能量的关系，科学家可以计算出不同温度放射出的电磁波波长。电磁波按照从长到短的不同波长来区分，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。一般来说，波长越短的电磁波，携带的能量越高。因此，物体的温度越高，它所发出的电磁波中所包含的短波长成分也越多。所以，可以通过天文望远镜观察天体放射的电磁波，来了解它们的温度。用这种方法，我们可以知道太阳的中心温度大约是2000万度。美国科学家已经在相对论重子对撞机中制造出了4万亿度的高温，这个温度是怎么测出来的呢？中科院理论物理研究所研究员李淼说，这个数据是通过参与碰撞的粒子的能量算出来的，当然也可以观测到一些和这个温度相关的现象，比如电磁辐射。但是新的问题又出现了，这4万亿度的高温是在加速器的管子里生成的，那管子还不全融化了啊？这就牵扯到一个重要的科学事实：温度和我们感受到的热是两回事！当我们泡温泉的时候，水温达到50℃就觉得烫得不行了，可蒸桑拿的时候，桑拿房的室温达到80℃我们也不会被烫伤。这是因为温泉里水分子的密度比蒸拿房里的气体分子密度高得多。它能够把更多的热量(也就是粒子的动能)传给人体，所以50℃的温泉池比80℃的桑拿房要“热”得多。我们还可以找到更极端的案例，距地球50亿光年的地方有一个RXJ1347.51145星系，其内部存在温度高达3亿℃的气体，但是假如我们置身其中，却根本就不会感到热！因为那些气体的密度非常低，每一立方厘米大约只有0.0001到0.01个原子(或离子)。同样的道理，对撞机里的高温也不会熔化管子，因为对撞机里的物质是很少的。温度的世界有很多让人费解的地方，中科院物理研究所研究员曹则贤在接受本报记者采访时强调，在日常生活中我们所说的“温度”往往和科学定义区别很大，短短一篇文章也不可能真正让人理解温度的概念。所以，要想真正理解“我们在说温度的时候都在说些什么”，还需要查阅专业教科书。62附加知识63热力学系统与外界的关系热力学系统环境粒子源物质交换封闭系热源绝热系热量功力开放系孤立系信息等其他作用绝热壁64热力学系统组成成分热力学系统成分单元系多元系均匀单相系复相系65物质的微观理论—物质结构Dalton原子模型Brownianmotion18281897JJThomson发现电子Ruthorfordalpha粒子散射实验1919Ruthorfordα粒子轰击氮原子，发现质子卢瑟福的学生查德威克用质子轰击铍核，发现中子1932海森堡提出原子核由中子和质子构成高能电子对核子结构的探测表明内部存在更小的结构，被称为部分子盖尔曼提出夸克模型，提出用夸克来构造各种粒子超对称超弦1800s1911?19681961…1968--today量子力学66物质的微观理论—相互作用BuildingBlocksofHadronWorldProtonNeutron(uud)(udd)Mesons(q-q)Exotics(qqqq-q,…)MoleculesAtomsElectronsNucleusHyperons(s…)强相互作用弱相互作用电磁相互作用67物质的微观理论—分子间相互作用结合能平衡位置10-10m0.1～5eV离子键共价键范德瓦尔斯键氢键68物质的微观理论—分子热运动爱因斯坦(1905年)和斯莫陆绰斯基(Smoluchowski,1906年)、郎之万(Langevin,1908年)关于布朗运动的理论工作，证明了布朗粒子位移平方的平均值正比于时间t1908年皮兰(Perrin)实验证实Fig.1FluctuationofHSIduringtheperiodJan.3,1994toNov.30,2000.Theperiodischaracterizedbythe1995‘bearishmarket’andthe1997-98crash.StevenZhucoolingandtrappingatomsusinglaserlight证实原子存在的人69Brownianmotion英国植物学家布朗(R.Brown)在显微镜下观察到悬浮在静止液体里的花粉不停地做无规则运动。70物质的气态、固态、液态势能Ep动能Ek><≈71物质的气态、固态、液态气体——非凝聚态，分子位置相互间没有关联直径10-10m间距10-9m273K时，N2平均速率400m/sH2平均速率1700m/s72“气体”普通气体电子气体白矮星中子星光子气固体晶格中的声子气物质的气态、固态、液态73完美晶体离子键共价键金属键范德瓦耳斯键氢键物质的气态、固态、液态74晶体与对称性7个晶系