熱物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)

是用統(tǒng)計(jì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律及其對(duì)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(yùn)動(dòng)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(jì)物理學(xué)的前身是氣體分子運(yùn)動(dòng)論。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)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(xué)規(guī)律，用統(tǒng)計(jì)方法，將系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)及其變化規(guī)律推導(dǎo)出來。所以，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)與熱力學(xué)兩者之間可以相互補(bǔ)充。

熱物理性質(zhì)理想氣體

把嚴(yán)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(yùn)動(dòng)論的研究對(duì)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(dòng)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(jì)。例如，在溫度為0℃、壓強(qiáng)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(duì)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(jì)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(rèn)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(rèn)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(dòng)量守恒和動(dòng)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(qiáng)下，理想氣體和實(shí)際氣體的性質(zhì)差別并不太大。因此，所有的實(shí)際氣體在溫度不太低、壓強(qiáng)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(qiáng)改變而改變的規(guī)律。對(duì)于一定質(zhì)量的氣體，在其溫度保持不變時(shí)，它的壓強(qiáng)和體積成反比；或者說，其壓強(qiáng)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(qiáng)不變的情況下，它的體積變化與溫度變化成正比，與0℃時(shí)的體積成正比，即它的體積隨著溫度作直線變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

查理定律：

它反映了氣體壓強(qiáng)隨溫度變化而變化的規(guī)律。一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)其體積保持不變時(shí)，它的壓強(qiáng)P 變化與溫度T 的變化成正比，與0℃時(shí)氣體的壓強(qiáng)成正比，即壓強(qiáng)隨溫度作直線變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(gè)參量P、V、T 中有一個(gè)保持不變時(shí)，另兩個(gè)狀態(tài)參量的變化規(guī)律。但是，在實(shí)際中，這三個(gè)參量往往是同時(shí)變化的。對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體，在平衡狀態(tài)下，壓強(qiáng)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(gè)平衡態(tài)。其二是或者寫成

它是研究熱現(xiàn)象中物態(tài)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換的學(xué)科。由觀察和實(shí)驗(yàn)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(jì)中葉，焦耳等人通過多次實(shí)驗(yàn)，將熱確定為能的一種形式，從而建立了熱力學(xué)。熱力學(xué)的研究是從大量經(jīng)驗(yàn)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(xué)定律（即熱力學(xué)第零、第一、第二和第三定律），用嚴(yán)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(xué)第一定律及第二定律視作熱力學(xué)的基本定律，但有時(shí)增加能斯特定理當(dāng)作第三定律，又有時(shí)將溫度存在定律當(dāng)作第零定律。一般將這四條熱力學(xué)規(guī)律統(tǒng)稱為熱力學(xué)定律。熱力學(xué)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(xué)第零定律

若兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的任何一個(gè)系統(tǒng)都和第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么，這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)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。因此，這一基本物理量實(shí)質(zhì)是反映了系統(tǒng)的某種性質(zhì)。

在熱力學(xué)第一定律建立以前，人們?cè)孟胫圃斐鲆环N永動(dòng)的機(jī)器，不需要任何燃料和動(dòng)力，又不消耗系統(tǒng)本身的內(nèi)能，卻能不斷對(duì)外做功而且永遠(yuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，這類機(jī)器叫“第一類永動(dòng)機(jī)”。根據(jù)能的轉(zhuǎn)化與守恒定律，系統(tǒng)在對(duì)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(shí)對(duì)它傳遞熱量或?qū)λ龉?，不斷地給系統(tǒng)補(bǔ)充能量，系統(tǒng)才能持續(xù)不斷地對(duì)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(xué)第一定律的器械永遠(yuǎn)也不可能制造成。

熱物理性質(zhì)熱力學(xué)第一定律

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

熱物理性質(zhì)熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)的基本定律之一。它是關(guān)于在有限空間和時(shí)間內(nèi)，一切和熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的物理、化學(xué)過程具有不可逆性的總結(jié)?？藙谛匏?、開爾文等人，從將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣r(shí)遇到的經(jīng)驗(yàn)歸納成熱力學(xué)第二定律。它實(shí)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(shí)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(dòng)的從高溫物體傳到低溫物體，不可能自動(dòng)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(dòng)向高溫物體轉(zhuǎn)移，這個(gè)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(shí)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(shí)，把由單一熱源吸來的熱量全部用來對(duì)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?cè)谧匀粭l件下也是不可逆的。熱機(jī)在運(yùn)行過程中，可連續(xù)不斷地將熱變?yōu)闄C(jī)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(jìn)行的方向性。

根據(jù)熱力學(xué)第零定律，確定了態(tài)函數(shù)——溫度；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，確定了態(tài)函數(shù)——內(nèi)能和焓；根據(jù)熱力學(xué)第二定律，也可以確定一個(gè)新的態(tài)函數(shù)——熵?？梢杂渺貋韺?duì)第二定律作定量的表述。

熱力學(xué)第二定律在引入熵的概念后，可用數(shù)學(xué)形式表示。其積分形式為

式中不等號(hào)對(duì)應(yīng)于不可逆過程，等號(hào)對(duì)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(xué)第二定律的微分形式

熱物理性質(zhì)熱力學(xué)第三定律

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

熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究對(duì)象是一致的，都是研究物體內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性以及熱運(yùn)動(dòng)對(duì)物體性質(zhì)的影響，但是研究的方法截然不同。熱力學(xué)根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)所總結(jié)出來的熱力學(xué)定律，以嚴(yán)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(jì)物理學(xué)則從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)每個(gè)粒子所遵循的力學(xué)規(guī)律，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究宏觀物體的熱性質(zhì)。熱力學(xué)對(duì)熱現(xiàn)象給出可靠的依據(jù)，用以驗(yàn)證微觀理論的正確性；統(tǒng)計(jì)物理學(xué)可深入探討熱現(xiàn)象的本質(zhì)，使熱力學(xué)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。

熱的概念來自人們對(duì)冷熱的感覺。它是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的形式之一。它的本質(zhì)是大量的實(shí)物粒子（分子、原子等）永不停息地作無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。熱與實(shí)物粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈時(shí)，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(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)。它是物質(zhì)的一種基本運(yùn)動(dòng)形式。一個(gè)物體或某一系統(tǒng)在熱平衡時(shí)的溫度，取決于他內(nèi)部微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)的狀況，熱運(yùn)動(dòng)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”

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(xué)性質(zhì)以及傳熱性質(zhì)（熱導(dǎo)率、對(duì)流換熱系數(shù)、輻射率）、傳質(zhì)性質(zhì)（擴(kuò)散系數(shù)）、流動(dòng)性質(zhì)（黏度）等。

焦炭的物理性質(zhì)與其常溫機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度及化學(xué)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(dǎo)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(duì)密度、焦炭視相對(duì)密度、焦炭氣孔率、焦炭比熱容、焦炭熱導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度及化學(xué)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(dǎo)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 。