熱物理性質(zhì)簡介

熱的概念來自人們對冷熱的感覺。它是物質(zhì)運動表現(xiàn)的形式之一。它的本質(zhì)是大量的實物粒子（分子、原子等）永不停息地作無規(guī)則的運動。熱與實物粒子的無規(guī)則運動的速度有關(guān)，無規(guī)則運動越強烈時，則該物體或系統(tǒng)就越熱，溫度也越高。熱的另一種涵義是熱量，熱量是能量變化的一種量度。熱量與溫度的概念不同，不能混為一談。熱運動是物質(zhì)的一種運動形式。宏觀物體內(nèi)部大量微觀粒子（如分子、原子、電子等）永不停息的無規(guī)則運動稱為熱運動。它是物質(zhì)的一種基本運動形式。一個物體或某一系統(tǒng)在熱平衡時的溫度，取決于他內(nèi)部微觀粒子熱運動的狀況，熱運動越劇烈，它的溫度就越高。凡與溫度有關(guān)的物質(zhì)系統(tǒng)性質(zhì)的變化，統(tǒng)稱為“熱現(xiàn)象”

熱力學和統(tǒng)計物理學研究對象是一致的，都是研究物體內(nèi)部熱運動的規(guī)律性以及熱運動對物體性質(zhì)的影響，但是研究的方法截然不同。熱力學根據(jù)觀察和實驗所總結(jié)出來的熱力學定律，以嚴密的邏輯推理來研究宏觀物體的熱性質(zhì)，它不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計物理學則從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)每個粒子所遵循的力學規(guī)律，用統(tǒng)計學的方法研究宏觀物體的熱性質(zhì)。熱力學對熱現(xiàn)象給出可靠的依據(jù)，用以驗證微觀理論的正確性；統(tǒng)計物理學可深入探討熱現(xiàn)象的本質(zhì)，使熱力學的理論獲得更深刻的意義。因此這兩種方法，起到了相輔相成的作用，使熱現(xiàn)象的研究更加深入。

它是研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換的學科。由觀察和實驗總結(jié)出熱現(xiàn)象的規(guī)律，構(gòu)成熱現(xiàn)象的宏觀理論。在19世紀中葉，焦耳等人通過多次實驗，將熱確定為能的一種形式，從而建立了熱力學。熱力學的研究是從大量經(jīng)驗中總結(jié)了自然界有關(guān)熱現(xiàn)象的一些共同規(guī)律而得出熱力學定律（即熱力學第零、第一、第二和第三定律），用嚴密的邏輯推理來研究宏觀物體的熱性質(zhì)及規(guī)律。通常是將熱力學第一定律及第二定律視作熱力學的基本定律，但有時增加能斯特定理當作第三定律，又有時將溫度存在定律當作第零定律。一般將這四條熱力學規(guī)律統(tǒng)稱為熱力學定律。熱力學是熱現(xiàn)象的宏觀理論，它是以這四條定律為基礎(chǔ)建立起來的理論。

熱物理性質(zhì)熱力學第零定律

若兩個熱力學系統(tǒng)中的任何一個系統(tǒng)都和第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么，這兩個熱力學系統(tǒng)也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱做“熱力學第零定律”。熱力學第零定律的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。定律中所說的熱力學系統(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驗基礎(chǔ)。這個定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個狀態(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。因此，這一基本物理量實質(zhì)是反映了系統(tǒng)的某種性質(zhì)。

在熱力學第一定律建立以前，人們曾幻想制造出一種永動的機器，不需要任何燃料和動力，又不消耗系統(tǒng)本身的內(nèi)能，卻能不斷對外做功而且永遠運轉(zhuǎn)，這類機器叫“第一類永動機”。根據(jù)能的轉(zhuǎn)化與守恒定律，系統(tǒng)在對外做功過程中，它的內(nèi)能要減小，要想不減少它的內(nèi)能，外界必須同時對它傳遞熱量或?qū)λ龉?，不斷地給系統(tǒng)補充能量，系統(tǒng)才能持續(xù)不斷地對外做功。這種違背能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的器械，也就是違背熱力學第一定律的器械永遠也不可能制造成。

熱物理性質(zhì)熱力學第一定律

是熱力學的基本定律之一。是能的轉(zhuǎn)化與守恒定律在熱力學中的表現(xiàn)。它指出熱是物質(zhì)運動的一種形式，并表明，一個體系內(nèi)能增加的量值

熱物理性質(zhì)熱力學第二定律

熱力學的基本定律之一。它是關(guān)于在有限空間和時間內(nèi)，一切和熱運動有關(guān)的物理、化學過程具有不可逆性的總結(jié)。克勞修斯、開爾文等人，從將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣r遇到的經(jīng)驗歸納成熱力學第二定律。它實質(zhì)上指出了宏觀熱現(xiàn)象的不可逆性。它的表述有很多種，但實際上都是互相等效的。如下列幾種表述：

克勞修斯表述：克勞修斯在1850年提出的。熱量總是自動的從高溫物體傳到低溫物體，不可能自動地由低溫物體向高溫物體傳遞。在它的表述中，指出在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉(zhuǎn)移，這個轉(zhuǎn)變過程是不可逆的。若想讓熱傳遞方向逆轉(zhuǎn)，則必須消耗功才能實現(xiàn)。

2.開爾文表述：開爾文在1851年提出的。不存在這樣一種循環(huán)過程，系統(tǒng)從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。表述中的“單一熱源”是指溫度均勻并且恒定不變的熱源；“其他影響”指除了由單一熱源吸熱，把所吸的熱用來作功以外的任何其他變化。若有其他影響產(chǎn)生時，把由單一熱源吸來的熱量全部用來對外作功是可能的。自然界中任何形式的能都可能轉(zhuǎn)變成熱，但熱卻不能在不產(chǎn)生其他影響的條件下完全變成其他形式的能，這種轉(zhuǎn)變在自然條件下也是不可逆的。熱機在運行過程中，可連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C械功，一定伴隨有熱量的損失。第二定律和第一定律兩者有所不同。第二定律闡明了過程進行的方向性。

根據(jù)熱力學第零定律，確定了態(tài)函數(shù)——溫度；根據(jù)熱力學第一定律，確定了態(tài)函數(shù)——內(nèi)能和焓；根據(jù)熱力學第二定律，也可以確定一個新的態(tài)函數(shù)——熵?？梢杂渺貋韺Φ诙勺鞫康谋硎?。

熱力學第二定律在引入熵的概念后，可用數(shù)學形式表示。其積分形式為

式中不等號對應(yīng)于不可逆過程，等號對應(yīng)于可逆過程，角碼1和2分別表示系統(tǒng)的初狀態(tài)和末狀態(tài)，S 表示系統(tǒng)的熵。熱力學第二定律的微分形式

熱物理性質(zhì)熱力學第三定律

此定律指出，設(shè)想通過幾個有限的步驟使物體冷卻到絕對零度，是不可能的。這一表述是能斯脫于1912年根據(jù)對低溫現(xiàn)象的研究得出能斯脫定理的推論。

是用統(tǒng)計方法研究由大量微觀粒子組成的物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部熱運動規(guī)律及其對系統(tǒng)性質(zhì)的影響。它是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，即從分子、原子的運動和它們之間的相互作用出發(fā)，來研究熱現(xiàn)象的規(guī)律，構(gòu)成熱現(xiàn)象的微觀理論。統(tǒng)計物理學的前身是氣體分子運動論。統(tǒng)計物理學是從宏觀系統(tǒng)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)微觀粒子所遵從的力學規(guī)律，用統(tǒng)計方法，將系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)及其變化規(guī)律推導出來。所以，統(tǒng)計物理學與熱力學兩者之間可以相互補充。

熱物理性質(zhì)理想氣體

把嚴格服從波義耳-馬略特定律、蓋·呂薩克定律和查理定律的想象的氣體，稱為“理想氣體”。氣體分子運動論的研究對象主要是氣體物質(zhì)系統(tǒng)。在通常情況下，氣體中的分子本身所占的體積，比起氣體分子所能自由活動的空間，即氣體的體積是小得多的，所以分子本身的大小可忽略不計。例如，在溫度為0℃、壓強為1大氣壓下的氣體，其密度不到液體的密度的千分之一。在某種情況下忽略氣體分子本身的大小對我們研究的問題影響并不大。若在高溫低壓的情況下，將氣體分子本身的大小忽略掉，則影響就更小。至于氣體分子之間的相互作用力，由于它隨著分子之間距離的增大而迅速地減小，故在一般常溫、常壓下，也可忽略不計氣體分子之間存在著的分子力。也就是說，除了氣體分子之間發(fā)生碰撞的瞬間之外，可認為氣體分子之間是沒有相互作用的。此外，也不考慮氣體分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即認為分子在碰撞過程中不發(fā)生形變。若將氣體分子視為剛體，而分子間的碰撞又是完全彈性碰撞，那么，氣體分子就遵守動量守恒和動能守恒定律。符合上述要求的氣體即稱為理想氣體。在通常的溫度和壓強下，理想氣體和實際氣體的性質(zhì)差別并不太大。因此，所有的實際氣體在溫度不太低、壓強不太大的情況下，都可近似地看作理想氣體。

玻義耳-馬略特定律：

它反映氣體的體積隨壓強改變而改變的規(guī)律。對于一定質(zhì)量的氣體，在其溫度保持不變時，它的壓強和體積成反比；或者說，其壓強P 與它的體積V 的乘積為一常量，即

蓋·呂薩克定律：

它反映了氣體體積隨溫度變化而變化的規(guī)律。一定質(zhì)量的氣體，在保持壓強不變的情況下，它的體積變化與溫度變化成正比，與0℃時的體積成正比，即它的體積隨著溫度作直線變化，其數(shù)學表達式為

查理定律：

它反映了氣體壓強隨溫度變化而變化的規(guī)律。一定質(zhì)量的氣體，當其體積保持不變時，它的壓強P 變化與溫度T 的變化成正比，與0℃時氣體的壓強成正比，即壓強隨溫度作直線變化，其數(shù)學表達式為

熱物理性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程

波義耳-馬略特定律，蓋·呂薩克定律及查理定律給出了一定質(zhì)量的氣體的三個參量P、V、T 中有一個保持不變時，另兩個狀態(tài)參量的變化規(guī)律。但是，在實際中，這三個參量往往是同時變化的。對于一定質(zhì)量的理想氣體，在平衡狀態(tài)下，壓強P、體積V 和溫度T 之間存有一定的關(guān)系，可用兩種形式來表示。其一是式中角碼1和2分別代表系統(tǒng)所處的兩個平衡態(tài)。其二是或者寫成

工質(zhì)熱物理性質(zhì)，與熱物理現(xiàn)象有關(guān)的宏觀性質(zhì)。包括工質(zhì)的熱力學性質(zhì)以及傳熱性質(zhì)（熱導率、對流換熱系數(shù)、輻射率）、傳質(zhì)性質(zhì)（擴散系數(shù)）、流動性質(zhì)（黏度）等。

焦炭的物理性質(zhì)與其常溫機械強度和熱強度及化學性質(zhì)密切相關(guān)。焦炭的主要物理性質(zhì)如下：

真密度為1.8-1.95g/cm³；

視密度為0.88-1.08g/cm³；

氣孔率為35-55%；

散密度為400-500kg/m³；

平均比熱容為0.808kj/（k·g·k）（100℃），1.465kj/（k·g·k）（1000℃）；

熱導率為2.64kj/（m·h·k）（常溫），6.91kg/（m·h·k）（900℃）；

著火溫度（空氣中）為450-650℃；

干燥無灰基低熱值為30-32KJ/g 。

焦炭物理性質(zhì)包括焦炭篩分組成、焦炭散密度、焦炭真相對密度、焦炭視相對密度、焦炭氣孔率、焦炭比熱容、焦炭熱導率、焦炭熱應(yīng)力、焦炭著火溫度、焦炭熱膨脹系數(shù)、焦炭收縮率、焦炭電阻率和焦炭透氣性等。

焦炭的物理性質(zhì)與其常溫機械強度和熱強度及化學性質(zhì)密切相關(guān)。焦炭的主要物理性質(zhì)如下：

真密度為 1.8-1.95g/cm3；

視密度為 0.88-1.08g/ cm3；

氣孔率為 35-55%；

散密度為 400-500kg/ m3；

平均比熱容為 0.808kj/（kg·k）（100℃），1.465kj/（kg·k）（1000℃）；

熱導率為 2.64kj/（m·h·k）（常溫），6.91kg/（m·h·k）（900℃）；

著火溫度（空氣中）為 450-650℃；

干燥無灰基低熱值為 30-32kj/g；

比表面積為 0.6-0.8m2/g 。