熱力學(xué)第零定律

第零定律是在不考慮引力場(chǎng)作用的情況下得出的，物質(zhì)（特別是氣體物質(zhì)）在引力場(chǎng)中會(huì)自發(fā)產(chǎn)生一定的溫度梯度。如果有封閉兩個(gè)容器分別裝有氫氣和氧氣，由于它們的分子量不同，它們?cè)谝?chǎng)中的溫度梯度也不相同。如果最低處它們之間可交換熱量，溫度達(dá)到相同，但由于兩種氣體溫度梯度不同，則在高處溫度就不相同，也即不平衡。因此第零定律不適用引力場(chǎng)存在的情形。這與限定第二類永動(dòng)機(jī)不成立的第二定律類似。

第零定律比起其他任何定律更為基本，但直到二十世紀(jì)三十年代前一直都未有察覺(jué)到有需要把這種現(xiàn)象以定律的形式表達(dá)。第零定律是由英國(guó)物理學(xué)家拉爾夫·福勒于1939年正式提出，比熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律晚了80余年，但是第零定律是后面幾個(gè)定律的基礎(chǔ)，所以叫做熱力學(xué)第零定律。

熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。定律中所說(shuō)的熱力學(xué)系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個(gè)數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。

熱力學(xué)第零定律通常表述

熱力學(xué)中以熱平衡概念為基礎(chǔ)對(duì)溫度作出定義的定律。通常表述為：與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)的兩個(gè)系統(tǒng)之間，必定處于熱平衡狀態(tài)。將其中的B、C用絕熱壁隔開，同時(shí)使它們分別與A發(fā)生熱接觸。待A與B和A與C都達(dá)到熱平衡時(shí)，再使B與C發(fā)生熱接觸。這時(shí)B和C的熱力狀態(tài)不再變化，這表明它們之間在熱性質(zhì)方面也已達(dá)到平衡。第零定律表明，一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有一個(gè)數(shù)值上相等的共同的宏觀性質(zhì)──

熱力學(xué)第零定律另一種表述

處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的所有物質(zhì)均具有某一共同的宏觀物理性質(zhì)。

熱力學(xué)第零定律用來(lái)作為進(jìn)行體系測(cè)量的基本依據(jù)，其重要性在于它說(shuō)明了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。表述如下：

1.可以通過(guò)使兩個(gè)體系相接觸，并觀察這兩個(gè)體系的性質(zhì)是否發(fā)生變化而判斷這兩個(gè)體系是否已經(jīng)達(dá)到熱平衡。

2.當(dāng)外界條件不發(fā)生變化時(shí)，已經(jīng)達(dá)成熱平衡狀態(tài)的體系，其內(nèi)部的溫度是均勻分布的，并具有確定不變的溫度值。

3.一切互為平衡的體系具有相同的溫度，所以一個(gè)體系的溫度可以通過(guò)另一個(gè)與之平衡的體系的溫度來(lái)表示，也可以通過(guò)第三個(gè)體系的溫度來(lái)表示。

ps：初中物理公式，熱學(xué)部分：1，吸熱：Q吸=Cm(t-t0)=Cmt;2,放熱：Q放=Cm(t0-t)CMt;3,熱力學(xué)溫度：T=t 273k。在大學(xué)物理中Cm與溫度t有關(guān)。

一個(gè)簡(jiǎn)單例子可以說(shuō)明為什么需要到第零定律。如前所述，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)間有小量廣延量交換時(shí)（如微觀波動(dòng)）而兩者的總能量不變時(shí)（能量減少不能逆轉(zhuǎn)），此兩個(gè)系統(tǒng)即處于平衡。

簡(jiǎn)單起見(jiàn)，N個(gè)系統(tǒng)與宇宙的其他部分絕應(yīng)隔離，每一個(gè)系統(tǒng)的體積與組成都保持恒定，而各個(gè)系統(tǒng)之間都只能交換熱量（熵）。此例子的結(jié)果可直接延伸至體積或積量的交換。

熱力學(xué)第一與第二定律的結(jié)合把總能量波動(dòng)

換句話說(shuō)，熵只能在 N個(gè)系統(tǒng)之間交換。這個(gè)限制可以用來(lái)重寫總能量波動(dòng)的表達(dá)式成：

無(wú)論是那一個(gè) j的選擇，由

但是，根據(jù)雅可比定理，一個(gè)N×N反對(duì)稱矩陣若N為奇數(shù)時(shí)，則其行列式值必為零；而若N為偶數(shù)時(shí)，則每一項(xiàng)

熱力學(xué)第零定律解決了此奇偶矛盾?？紤]N個(gè)系統(tǒng)中的任何三個(gè)互為平衡的系統(tǒng)，其中一個(gè)就系統(tǒng)可以按照第零定律而被忽略。因此，一個(gè)奇數(shù)數(shù)數(shù)的系統(tǒng)就可以約簡(jiǎn)成一個(gè)偶數(shù)數(shù)目的系統(tǒng)。此推導(dǎo)使

相同結(jié)果，可以應(yīng)用到任何廣延量中的波動(dòng)如體積（相同壓強(qiáng)）、或質(zhì)量（相同化勢(shì)）。因而，第零定律的所涉及的就不單只是溫度罷了。

總的來(lái)說(shuō)，第零定律打破了第一定律和第二定律內(nèi)的某種反對(duì)稱性。

一個(gè)熱平衡系統(tǒng)的宏觀物理性質(zhì)（壓強(qiáng)、溫度、體積等）都不會(huì)隨時(shí)間而改變。一杯放在餐桌上的熱咖啡，由于咖啡正在冷卻，所以這杯咖啡與外界環(huán)境并非處于平衡狀態(tài)。當(dāng)咖啡不再降溫時(shí)，它的溫度就相當(dāng)于室溫，并且與外界環(huán)境處于平衡狀態(tài)。

兩個(gè)互相處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)會(huì)滿足以下條件：

1. 兩者各自處于平衡狀態(tài)；

2. 兩者在可以交換熱量的情況下，仍然保持平衡狀態(tài)。進(jìn)而推廣之，如果能夠肯定兩個(gè)系統(tǒng)在可以交換熱量的情況下物理性質(zhì)也不會(huì)發(fā)生變化時(shí)，即使不容許兩個(gè)系統(tǒng)交換熱量，也可以肯定互為平衡狀態(tài)。

因此，熱平衡是熱力學(xué)系統(tǒng)之間的一種關(guān)系。數(shù)學(xué)上，第零定律表示這是一種等價(jià)關(guān)系。（技術(shù)上，需要同時(shí)包括系統(tǒng)自己亦都處于熱平衡。）

第零定律經(jīng)常被認(rèn)為可以建立一個(gè)溫度函數(shù)；更隨便的說(shuō)法是可以制造溫度計(jì)。而這個(gè)問(wèn)題是其中一個(gè)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)哲學(xué)的題目。

在熱力學(xué)變量的函數(shù)空間之中，恒溫的部分會(huì)成為一塊面并會(huì)為附近的面提供自然秩序。之后，該面會(huì)簡(jiǎn)單建立一個(gè)可以提供連續(xù)狀態(tài)順序的總體溫度函數(shù)。該恒溫面的維度是熱力學(xué)變量的總數(shù)減一（例如對(duì)于有三個(gè)熱力學(xué)變量 P、V、n 的理想氣體，其恒溫面是塊二維面）。按此定義的溫度實(shí)際上未必如攝氏溫度尺般，而是一個(gè)函數(shù)。

以理想氣體為例，若兩團(tuán)氣體是處于熱平衡，則：

Pi 是第 i 個(gè)系統(tǒng)的壓強(qiáng)Vi 是第 i 個(gè)系統(tǒng)的體積Ni 是第 i 個(gè)系統(tǒng)的數(shù)量（摩爾數(shù)或者原子數(shù)目）面 PV / N = const 定義了所有相同溫度的面，一個(gè)常見(jiàn)方法來(lái)標(biāo)簽這些面是令 PV / N = RT，R 是一個(gè)常數(shù)而溫度 T 可以由此定義。經(jīng)定義后，這些系統(tǒng)可用作溫度計(jì)來(lái)較準(zhǔn)其他系統(tǒng)。

表述

如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱做“熱力學(xué)第零定律”。

熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。

定律中所說(shuō)的熱力學(xué)系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這個(gè)定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個(gè)數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。

適用范圍

第零定律是在不考慮引力場(chǎng)作用的情況下得出的，物質(zhì)（特別是氣體物質(zhì)）在引力場(chǎng)中會(huì)自發(fā)產(chǎn)生一定的溫度梯度。如果有封閉兩個(gè)容器分別裝有氫氣和氧氣，由于它們的分子量不同，它們?cè)谝?chǎng)中的溫度梯度也不相同。如果最低處它們之間可交換熱量，溫度達(dá)到相同，但由于兩種氣體溫度梯度不同，則在高處溫度就不相同，也即不平衡。因此第零定律不適用引力場(chǎng)存在的情形。這與限定第二類永動(dòng)機(jī)不成立的第二定律類似。

意義

熱力學(xué)第零定律用來(lái)作為進(jìn)行體系測(cè)量的基本依據(jù)，其重要性在于它說(shuō)明了溫度的定義和溫度的測(cè)量方法。表述如下：

1、可以通過(guò)使兩個(gè)體系相接觸，并觀察這兩個(gè)體系的性質(zhì)是否發(fā)生變化而判斷這兩個(gè)體系是否已經(jīng)達(dá)到熱平衡。

2、當(dāng)外界條件不發(fā)生變化時(shí)，已經(jīng)達(dá)成熱平衡狀態(tài)的體系，其內(nèi)部的溫度是均勻分布的，并具有確定不變的溫度值。

3、一切互為平衡的體系具有相同的溫度，所以一個(gè)體系的溫度可以通過(guò)另一個(gè)與之平衡的體系的溫度來(lái)表示，也可以通過(guò)第三個(gè)體系的溫度來(lái)表示。2100433B

熱力學(xué)第零定律：如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)均與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，那么它們也必定處于熱平衡 。也就是說(shuō)熱平衡是傳遞的。

熱力學(xué)第零定律是熱力學(xué)三大定律的基礎(chǔ)，它定義了溫度。

（因?yàn)樵谌蠖芍螅祟惒虐l(fā)現(xiàn)其重要性，故稱為“第零定律”）

熱力學(xué)的研究?jī)?nèi)容涉及一系列與系統(tǒng)的冷熱變化有密切關(guān)系的熱效應(yīng)或熱現(xiàn)象。溫度是熱力學(xué)所特有的狀態(tài)參量,能具體、直接地表達(dá)系統(tǒng)的冷熱特點(diǎn)。

如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的同一熱狀態(tài)處于熱平衡,則這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱為熱力學(xué)第零定律,也叫做熱平衡定律。

熱力學(xué)第零定律為建立溫度概念提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),這個(gè)定律反映出:處于同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì),表征處于同一熱平衡的系統(tǒng)所具有的共同宏觀性質(zhì)的物理量就定義為溫度。 因此,一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度,這也是用溫度計(jì)測(cè)量物體溫度的依據(jù)。