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熱學(xué)名詞淺析
熱學(xué)名詞淺析

【熱學(xué)】熱學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要部分。它專門研究熱現(xiàn)象的規(guī)律及其應(yīng)用。對熱現(xiàn)象的研究:一是由觀察和實(shí)驗(yàn)入手,總結(jié)出熱現(xiàn)象規(guī)律,構(gòu)成熱現(xiàn)象的宏觀理論,叫做熱力學(xué);二是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)(即以分子、原子的運(yùn)動(dòng)和它們之間的相互作用出發(fā)),應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法去研究熱現(xiàn)象的規(guī)律,構(gòu)成熱現(xiàn)象的微觀理論,叫做統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。它所研究的范圍包括:測溫學(xué)、量熱學(xué)、熱膨脹以及熱傳遞等。若從廣泛的涵義上,熱學(xué)還包括其他有關(guān)熱現(xiàn)象研究的熱力學(xué)、分子物理學(xué)和熱工學(xué)等分科。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)研究對象是一致的,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。 

【熱力學(xué)】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。熱力學(xué)所研究的內(nèi)容,在量子力學(xué)發(fā)展以前就有了一定的基礎(chǔ),故論及的系統(tǒng)及所持的理論均出于宏觀的概念。主要探討物質(zhì)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)以及與平衡狀態(tài)偏離不大的物理、化學(xué)過程,近年來,對非平衡狀態(tài)過程的研究,亦取得一定的成果。熱力學(xué)不涉及物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),對熱現(xiàn)象的本質(zhì)亦不能做出解釋,這是它的局限性,這些都需要統(tǒng)計(jì)物理學(xué)來補(bǔ)充、說明并加以發(fā)展。 

【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。19世紀(jì)在經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)上形成了統(tǒng)計(jì)力學(xué)。在研究氣體處于平衡狀態(tài)下的性質(zhì)方面取得成就,對熱力學(xué)已經(jīng)獲得的結(jié)果,能從微觀角度更深刻地加以闡明。以后,隨著研究范圍的擴(kuò)展而取得統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的名稱。20世紀(jì)以來,由于發(fā)現(xiàn)微觀粒子具有量子性質(zhì)之后,在量子力學(xué)基礎(chǔ)上形成量子統(tǒng)計(jì)物理。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)對于許多涉及多體問題的學(xué)科都有重要應(yīng)用。例如,在固體物理學(xué)、原子核物理學(xué)、物理化學(xué)和天體物理學(xué)等方面均取得巨大成就。在相變,超導(dǎo)性、超流性、等離子體等方面運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理方法,于近年來亦有很大的進(jìn)展。 

【熱】熱的概念來自人們對冷熱的感覺。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。 

【熱現(xiàn)象】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。例如,物體吸熱后溫度升高,體積膨脹;水受熱后變成水蒸氣等,都是由于溫度發(fā)生了變化,物體的性質(zhì)也隨著而變化,這說明熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。 

【溫度】是表示物體冷熱程度的物理量。由人的感覺來判斷物體的冷熱程度,是建立在主觀感覺基礎(chǔ)上的。為了能客觀地反映物體的冷熱程度,人們引入了溫度的概念。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來看,溫度是物體內(nèi)部大量分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的體現(xiàn)。它是物體冷熱的內(nèi)在根據(jù),熱運(yùn)動(dòng)越劇烈,物體的溫度就越高。某一物體溫度升高或降低,就標(biāo)志  kT。式中k為玻爾茲曼常數(shù),T為氣體溫度的微觀實(shí)質(zhì)是分子平均動(dòng)能的量度。由此看來,溫度是含有統(tǒng)計(jì)意義的,它是大量氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)。對于個(gè)別分子而言,它的動(dòng)能可能大于平均動(dòng)能,也可能小于平均動(dòng)能。但在溫度一定時(shí),它是一個(gè)確定的值。對于個(gè)別分子,說它溫度是多少是沒有意義的。 

【溫標(biāo)】溫度數(shù)值的表示方法叫做溫標(biāo)。為了定量地確定溫度,對物體或系統(tǒng)溫度給以具體的數(shù)量標(biāo)志,各種各樣溫度計(jì)的數(shù)值都是由溫標(biāo)決定的。為量度物體或系統(tǒng)溫度的高低對溫度的零點(diǎn)和分度法所做的一種規(guī)定,是溫度的單位制。建立一種溫標(biāo),首先選取某種物質(zhì)的某一隨溫度變化的屬性,并規(guī)定測溫屬性隨溫度變化的關(guān)系;其次是選固定點(diǎn),規(guī)定其溫度數(shù)值;最后規(guī)定一種分度的方法。最早建立的溫標(biāo)是華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo),這些溫標(biāo)統(tǒng)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。它們的缺陷是溫度讀數(shù)與測溫物質(zhì)及測溫屬性有關(guān),測同一熱力學(xué)系統(tǒng)的溫度,若使用攝氏溫標(biāo)標(biāo)定的不同測溫屬性的溫度計(jì),其讀數(shù)除固定點(diǎn)外,并不嚴(yán)格一致。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)現(xiàn)已廢棄不用。為了統(tǒng)一溫度的測量,溫度的計(jì)量工作中采用理想氣體溫標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。規(guī)定溫度與測溫屬性成正比關(guān)系,選水的三相點(diǎn)為固定點(diǎn)。在氣體液化點(diǎn)以下及高溫下理想氣體溫標(biāo)不適用,由于氦的液化溫度最低,因此氦溫度計(jì)有它一定的優(yōu)越性。國際單位制中采用的溫標(biāo),是熱力學(xué)溫標(biāo)。它的單位是開爾文,中文代號是開,國際代號是K 

【攝氏溫標(biāo)】是經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)之一,亦稱百分溫標(biāo)。溫度符號為t,單位是攝氏度,國際代號是。攝氏溫標(biāo)是以在一大氣壓下,純水的冰點(diǎn)定為0。在一大氣壓下,汽點(diǎn)作為100,兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間分為100等分,每等分代表1。在溫度計(jì)上刻100的基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí),并不是把溫度計(jì)的水銀泡(或其他液體)插在沸騰的水里,而是將溫度計(jì)懸在蒸汽里。實(shí)驗(yàn)表明只有純凈的水在正常情況下沸騰時(shí),沸水的溫度才同上面蒸汽溫度一樣。若水中有了雜質(zhì),溶解了別的物質(zhì),沸點(diǎn)即將升高,也就是說,要在比純凈水的沸點(diǎn)更高的溫度下才會沸騰。如水中含有雜質(zhì),當(dāng)水沸騰時(shí),懸掛在蒸汽里的溫度計(jì)上凝結(jié)的卻是純凈的水,因此它的水銀柱的指示跟純凈水的沸點(diǎn)相同。在給溫度計(jì)定沸點(diǎn)時(shí),避免水不純的影響,應(yīng)用懸掛溫度計(jì)的方法。為了統(tǒng)一攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo),1960年國際計(jì)量大會對攝氏溫標(biāo)予以新的定義,規(guī)定它應(yīng)由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出,即t=T-273.15用攝氏度表示的溫度差,也可用表示,但應(yīng)注意,由上式所定義的攝氏溫標(biāo)的零點(diǎn)與純水的冰點(diǎn)并不嚴(yán)格相等,沸點(diǎn)也不嚴(yán)格等于100。華氏溫度計(jì)的冰點(diǎn)為32度,沸點(diǎn)為212度。 

【華氏溫標(biāo)】是經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)之一。在美國的日常生活中,多采用這種溫標(biāo)。規(guī)定在一大氣壓下水的冰點(diǎn)為32度,沸點(diǎn)為212度,兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間分為180等分,每等分代表1度。華氏溫度用字母°F表示。它與攝氏溫度(C)和華氏溫度(F)之間的換算關(guān)系為攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)的各種溫度計(jì),在玻璃管中根據(jù)不同的用途,裝有不同的液體(如煤油、酒精或水銀),由于液體膨脹與溫度之間并不嚴(yán)格遵守線性關(guān)系,而且不同的液體和溫度的非線性關(guān)系彼此也不一樣,由于測溫物質(zhì)而影響溫標(biāo)的準(zhǔn)確性,為此這些經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)已在廢棄之列。 

【國際實(shí)用溫標(biāo)】從準(zhǔn)確與實(shí)用出發(fā),在1927年第七屆國際計(jì)量大會上決定采用國際溫標(biāo)。由于科學(xué)技術(shù)不斷地發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)上的需要,國際溫標(biāo)不斷修改,目前所采用的國際實(shí)用溫標(biāo),是1968年國際計(jì)量委員會對1948年國際實(shí)用溫標(biāo)(1960年修正版)作了重要修改而建立的。1968年國際實(shí)用溫標(biāo)選取的方法,是根據(jù)它所測定的溫度可緊密接近熱力學(xué)溫度,而其差值應(yīng)在目前測定準(zhǔn)確度的極限之內(nèi)。1968年國際實(shí)用溫標(biāo)在國際實(shí)用開耳文溫度和國際實(shí)用攝氏溫度之間是用符號T68t68來加以區(qū)分的。T68t68之間的關(guān)系是:t68=T68-273.15T68t68的單位如在熱力學(xué)溫度T和攝氏溫度t中一樣仍為開爾文(符號K)和攝氏度(符號)。常用的換算公式是T=t+273.15。 

【三相點(diǎn)】亦稱三態(tài)點(diǎn)。一般指各種穩(wěn)定的純物質(zhì)處于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三個(gè)相(態(tài))平衡共存時(shí)的狀態(tài),叫做該物質(zhì)的三相點(diǎn)。該點(diǎn)具有確定的溫度和壓強(qiáng)。物態(tài)叫做,通常物質(zhì)是以三種形態(tài)存在。即固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài),也可稱為固相、液相、氣相。物體的變化常叫做相變?;蛘哒f,在某一系統(tǒng)中,具有相同物理性質(zhì)均勻的部分亦稱為相。相與相間必有明顯可分的界面。例如,食鹽的水溶液是一相,若食鹽水濃度大,有食鹽晶體,即成為兩相。水和食油混合,是兩個(gè)液相并存,而不能成為一個(gè)相。又如水、冰和汽三相共存時(shí),其溫度為273.16K0.01),壓強(qiáng)為6.106×102帕。由于在三相點(diǎn)物質(zhì)具有確定的溫度,因此用它來做為確定溫標(biāo)的固定點(diǎn)比選汽點(diǎn)和冰點(diǎn)具有優(yōu)越性,所以三相點(diǎn)這個(gè)固定溫度適于作為溫標(biāo)的基點(diǎn),現(xiàn)在都以水的三相點(diǎn)的溫度作為確定溫標(biāo)的固定點(diǎn)。 幾種物質(zhì)三相點(diǎn)的數(shù)據(jù) 

溫度(K/壓強(qiáng)(帕)

 13.84/7038.2 

 18.63/17062.4 

 24.57/43189.2 

 63.18/12530.2 

二氧化碳 216.55/517204 

 273.16/610.5 

【絕對零度】絕對零度是根據(jù)理想氣體所遵循的規(guī)律,用外推的方法得到的。當(dāng)溫度降低到-273.15時(shí),氣體的體積將減小到零。若用分子運(yùn)動(dòng)論來解釋,理想氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能由溫度T確定,則可將絕對零度與理想氣體分子停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度等同看待。事實(shí)上一切實(shí)際氣體在溫度接近-273.15時(shí),早已變成液態(tài)或固態(tài),它的溫度趨于一個(gè)極限值,這個(gè)極限值就稱為絕對零度。絕對零度是溫度的最低點(diǎn),實(shí)際上永遠(yuǎn)也不會達(dá)到的。

【溫度計(jì)】是測定溫度的儀器之統(tǒng)稱。利用物質(zhì)的某一物理屬性隨溫度的變化來標(biāo)志溫度。根據(jù)使用目的的不同,已設(shè)計(jì)制造出多種溫度計(jì)。其設(shè)計(jì)的依據(jù):如利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮的現(xiàn)象;在定容條件下,氣體或蒸汽壓強(qiáng)因不同溫度而變化;熱電效應(yīng)的作用;電阻隨溫度的變化而變化;以及熱輻射的影響等多種。一般說,任何物質(zhì)的任一物理屬性,只要它隨溫度的改變而發(fā)生單調(diào)的、顯著的變化,都可用來標(biāo)志溫度而制成溫度計(jì)。溫度計(jì)的種類很多,如定容氣體溫度計(jì)、定壓氣體溫度計(jì)、液體(水銀、酒精、煤油)溫度計(jì)、鉑電阻溫度計(jì)、溫差電偶溫度計(jì)、輻射高溫計(jì)、光測高溫計(jì)等多種類型。在我國氣象上常將能自動(dòng)記錄溫度變化的儀器稱溫度計(jì)。而對無自動(dòng)記錄裝置的測溫儀器稱溫度表。 

【溫度表】俗稱寒暑表。我國氣象上將直接能讀取數(shù)值而無自動(dòng)記錄裝置的儀器,統(tǒng)稱為溫度表。其種類甚多,如干濕球溫度表、最低溫度表、最高溫度表、地面溫度表等。家庭使用的溫度表,系常見的一種兩端封閉內(nèi)徑均勻的毛細(xì)玻璃管。封閉的下端是圓球或圓柱形,內(nèi)注水銀、酒精或煤油。由于溫度的變化,液柱升降而伸縮。根據(jù)液柱頂端所在位置,即可直接讀出標(biāo)度數(shù)值。 

【水銀溫度計(jì)】它是利用水銀熱脹、冷縮的性質(zhì)而制造的一種測溫計(jì)。高溫可以測到300多攝氏度。由于熔點(diǎn)關(guān)系,測量-30以下的低溫時(shí)則不能使用。制造水銀溫度計(jì),首先應(yīng)選取壁厚、孔細(xì)而內(nèi)徑均勻的玻璃管,經(jīng)酸洗等過程使管內(nèi)潔凈。一端加熱并吹成一個(gè)壁薄的球形或圓柱形的容器。水銀是在某種特定溫度下注入球形容器與玻管之中,此時(shí)水銀的溫度應(yīng)比以后所測之最高溫度還要高些。然后用火焰將灌滿水銀玻管的頂端封閉。當(dāng)水銀溫度降低時(shí)開始收縮,于是在水銀柱的上部管內(nèi)出現(xiàn)一段真空。溫度計(jì)的定標(biāo)分度,首先要確定兩個(gè)固定標(biāo)點(diǎn),作為永不改變的標(biāo)記。將溫度計(jì)液泡部分,插入在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下正在熔解的冰塊中,當(dāng)水銀柱下降至某一處穩(wěn)定時(shí),刻一記號作為下固定點(diǎn)。然后再將溫度計(jì)的整體,置于處在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的水蒸氣中,當(dāng)水銀柱上升停在某一位置不動(dòng)時(shí)作一記號為上固定點(diǎn)。此二固定點(diǎn)間的距離,稱為基本標(biāo)距。此標(biāo)距的長短與溫度計(jì)的管徑以及液泡的容積有關(guān)。將這段標(biāo)距分成100等分,每一等分即為一度。在下固定點(diǎn)處標(biāo)記號,在上固定點(diǎn)標(biāo)100°記號。在熔點(diǎn)以下及沸點(diǎn)以上還可刻同樣長的標(biāo)度??淘?span lang="EN-US">0°以下的標(biāo)度,稱為冷度,刻在以上的稱熱度。由于溫度計(jì)的基本標(biāo)度被均分為100等分,故稱百分溫度計(jì),又稱攝氏溫度計(jì)。除攝氏溫標(biāo)外也有采用華氏溫標(biāo)的,此溫標(biāo)以32°為冰點(diǎn),以212°為沸點(diǎn),其中等分180個(gè)刻度。華氏溫度計(jì)用字母F表示。兩種溫標(biāo)關(guān)系為  水銀溫度計(jì)存在一定的缺點(diǎn),例如,玻璃管的內(nèi)徑不可能完全相同,盡管每個(gè)刻度與每個(gè)刻度之間的距離相等,但由于管的內(nèi)徑不同,則每刻度之間水銀液柱的體積并不相等,因而造成誤差。

當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀受熱體積膨脹的同時(shí),溫度計(jì)的玻璃管及液泡部分的玻璃也受熱膨脹。結(jié)果所讀出的只不過是水銀膨脹數(shù)值與玻璃膨脹數(shù)值之間的差數(shù)而已。由于水銀的凝固點(diǎn)(-38.87)與沸點(diǎn)(356.7)的關(guān)系,故它的計(jì)量只能在這個(gè)范圍之內(nèi),可以測高溫。若用以測低溫,則必受限制。

【酒精溫度計(jì)】構(gòu)造與水銀溫度計(jì)相同,唯管內(nèi)裝有含紅色染料的酒精,便于觀察,此種溫度計(jì)是用酒精為工作物質(zhì)。因酒精的沸點(diǎn)(78)較低,凝固點(diǎn)在-117,因此多用酒精溫度計(jì)作測低溫物質(zhì)。 

【煤油溫度計(jì)】煤油溫度計(jì)的工作物質(zhì)是煤油,它的沸點(diǎn)一般高于150,凝固點(diǎn)低于-30。所以煤油溫度計(jì)的量度范圍約為-30150。因酒精的沸點(diǎn)是78,凝固點(diǎn)是-114,酒精溫度計(jì)能比煤油溫度計(jì)測更低的溫度,但高于78的溫度它就不能測定了。從中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常要測量的溫度范圍來看,煤油溫度計(jì)比酒精溫度計(jì)更適用。當(dāng)學(xué)生看到溫度計(jì)的刻度在100,卻不加分析地把溫度計(jì)說成是酒精溫度計(jì),這是錯(cuò)誤的(酒精溫度達(dá)到78就已經(jīng)沸騰了,豈能有100的溫度刻度)。目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室里所用的裝有紅色工作物質(zhì)的溫度計(jì),一般都是煤油溫度計(jì),而不是酒精溫度計(jì)。

【體溫計(jì)】是測量人體溫度用的溫度計(jì)。亦稱體溫表醫(yī)用溫度計(jì)。體溫計(jì)的工作物質(zhì)是水銀。它的液泡容積比上面細(xì)管的容積大得多。泡里水銀,由于受到體溫的影響,產(chǎn)生微小的變化,水銀體積的膨脹,使管內(nèi)水銀柱的長度發(fā)生明顯的變化。人體溫度的變化一般在3542之間,所以體溫計(jì)的刻度通常是3542,而且每度的范圍又分成為10分,因此體溫計(jì)可精確到1/10度。體溫計(jì)的下部靠近液泡處的管頸是一個(gè)很狹窄的曲頸,在測體溫時(shí),液泡內(nèi)的水銀,受熱體積膨脹,水銀可由頸部分上升到管內(nèi)某位置,當(dāng)與體溫達(dá)到熱平衡時(shí),水銀柱恒定。當(dāng)體溫計(jì)離開人體后,外界氣溫較低,水銀遇冷體積收縮,就在狹窄的曲頸部分?jǐn)嚅_,使已升入管內(nèi)的部分水銀退不回來,仍保持水銀柱在與人體接觸時(shí)所達(dá)到的高度。體溫計(jì)是一種最高溫度計(jì),它可以記錄這溫度計(jì)所曾測定的最高溫度。用后的體溫計(jì)應(yīng)回表,即拿著體溫計(jì)的上部用力往下猛甩,可使已升入管內(nèi)的水銀,重新回到液泡里。其他溫度計(jì)絕對不能甩動(dòng),這是體溫計(jì)與其他液體溫度計(jì)的一個(gè)主要區(qū)別。

【溫差電偶溫度計(jì)】利用溫差電偶來測量溫度的溫度計(jì)。將兩種不同金屬導(dǎo)體的兩端分別連接起來,構(gòu)成一個(gè)閉合回路,一端加熱,另一端冷卻,則兩個(gè)接觸點(diǎn)之間由于溫度不同,將產(chǎn)生電動(dòng)勢,導(dǎo)體中會有電流發(fā)生。因?yàn)檫@種溫差電動(dòng)勢是兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度差的函數(shù),所以利用這一特性制成溫度計(jì)。若在溫差電偶的回路里再接入一種或幾種不同金屬的導(dǎo)線,所接入的導(dǎo)線與接觸點(diǎn)的溫度都是均勻的,對原電動(dòng)勢并無影響,通過測量溫差電動(dòng)勢來求被測的溫度,這樣就構(gòu)成了溫差電偶溫度計(jì)。這種溫度計(jì)測溫范圍很大。例如,銅和康銅構(gòu)成的溫差電偶的測溫范圍在200400之間;鐵和康銅則被使用在2001000之間;由鉑和鉑銠合金(銠10%)構(gòu)成的溫差電偶測溫可達(dá)千攝氏度以上;銥和銥銠(銠50%)可用在2300;若用鎢和鉬(鉬25%)則可高達(dá)2600。 

【分子物理學(xué)】物理學(xué)的一個(gè)學(xué)科。分子物理學(xué)從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā),研究氣體、液體和固體的基本性質(zhì)及其熱現(xiàn)象的規(guī)律。如物體的體積,壓強(qiáng)和溫度之間的關(guān)系;物質(zhì)的比熱容;擴(kuò)散、熱傳遞、粘滯性等輸運(yùn)過程以及液體的表層性質(zhì),相平衡以及簡單的相變過程。 

【分子運(yùn)動(dòng)論】分子運(yùn)動(dòng)論是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)來闡述熱現(xiàn)象規(guī)律的理論,例如它闡明了氣體的溫度是分子平均平動(dòng)動(dòng)能大小的標(biāo)志,大量氣體分子對容器器壁的碰撞而產(chǎn)生對容器壁的壓強(qiáng)。此外,它還初步揭示了氣體的擴(kuò)散,熱傳遞和粘滯現(xiàn)象的本質(zhì),并解釋了許多氣體實(shí)驗(yàn)定律,分子運(yùn)動(dòng)論的成就促進(jìn)了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。 

【分子】由化學(xué)鍵結(jié)合起來的單個(gè)原子或一組原子,它是物質(zhì)中能獨(dú)立存在并保持該物質(zhì)一切化學(xué)性質(zhì)的最小單位。例如,水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的(H2O)。像氯化鈉那樣的離子化合物并無明顯的分子結(jié)構(gòu)。氯化鈉一般寫成NaCl,但氯化鈉晶體事實(shí)上是由氯離子(Cl-)和鈉離子(Na+)有規(guī)則排列。構(gòu)成物質(zhì)的單位是多種多樣的,或是原子(如金屬)或是離子(如鹽類)或是分子(如有機(jī)物)。為了簡化,在中學(xué)物理中,一般把構(gòu)成物質(zhì)的單位統(tǒng)稱為分子。用油膜法可以粗略地測定分子的大小。分子直徑的數(shù)量級是10-10。物理學(xué)中有各種不同的方法來測定分子的大小。用不同方法測出的分子的大小并不完全相同,但數(shù)量級是相符的。把分子看作小球,是分子運(yùn)動(dòng)論中對分子的簡化模型,實(shí)際上,分子有它復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

【阿伏伽德羅常數(shù)】是化學(xué)和物理學(xué)中的重要常數(shù)之一。1摩爾(簡稱摩,國際符號是mol)的任何物質(zhì),其中含有的粒子數(shù)相同。稱為阿伏伽德羅常數(shù)。用“N”表示N=6.022045×10^23摩爾^-1。此常數(shù)系意大利化學(xué)家阿伏伽德羅發(fā)現(xiàn),因而得名。知道阿伏伽德羅常數(shù),可算出水分子的質(zhì)量mH2O=3×10-26千克。阿伏伽德羅常數(shù)是微觀世界的一個(gè)重要常數(shù),用分子運(yùn)動(dòng)論定量地研究熱現(xiàn)象時(shí)經(jīng)常要用到它,它是聯(lián)系宏觀世界和微觀世界的橋梁。這一常數(shù)將摩爾質(zhì)量或摩爾體積這種宏觀物理量跟分子質(zhì)量或分子大小這種微觀物理量聯(lián)系了起來。因此阿伏伽德羅常數(shù)相當(dāng)重要。上述為其精確值,通??扇∽鱊=6.02×1023摩爾-1。

【阿伏伽德羅定律】又稱阿伏伽德羅假說。由壓強(qiáng)公式和氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能與溫度的關(guān)系,將得到氣體壓強(qiáng)的另一表達(dá)式:P=nKT。這一公式表明,在相同的溫度T和相同的壓強(qiáng)P下,任何氣體在相同的體積內(nèi)所包含的分子數(shù)都相等。這一結(jié)論叫做阿伏伽德羅定律。如在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(大氣壓值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,溫度T273.15K)時(shí),任何氣體在13中含有的分子數(shù)都等于2.6876×1025個(gè)/3。這個(gè)數(shù)值就稱為洛喜密脫常數(shù)。由于1摩爾的任何氣體所含分子數(shù)都相等,所以阿伏伽德羅定律也可表述為:在相同的溫度和相同的壓強(qiáng)下,1摩爾的任何氣體所占有的體積都相同。這一定律僅對理想氣體才嚴(yán)格正確。

【物態(tài)】亦稱聚集態(tài)。是物質(zhì)分子集合的狀態(tài),是實(shí)物存在的形式,在通常條件下,物質(zhì)有三種不同的聚集態(tài):固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài),即平常所說的物質(zhì)三態(tài)。固態(tài)和液態(tài),統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。它們在一定的條件下可以平衡共存,也可以相互轉(zhuǎn)變。例如,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,0時(shí),冰、水混合物可以平衡共存,當(dāng)溫度和壓強(qiáng)變化時(shí),該混合物可以完全變成水,或完全結(jié)成冰。除上述物質(zhì)三態(tài)外,近年來我們還把等離子體稱為物質(zhì)的第四態(tài),把存在于地球內(nèi)部的超高壓、高溫狀態(tài)的物質(zhì)稱為物質(zhì)的第五態(tài)。此外還有超導(dǎo)態(tài)和超流態(tài)。 

【固體】凡具有一定體積和形態(tài)的物體稱為固體,它是物質(zhì)存在的基本狀態(tài)之一。組成固體的分子之間的距離很小,分子之間的作用力很大,絕大多數(shù)分子只能在平衡位置附近作無規(guī)則振動(dòng),所以固體能保持一定的體積和形狀。在受到不太大的外力作用時(shí),其體積和形狀改變很小。當(dāng)撤去外力的作用,能恢復(fù)原狀的物體稱彈性體,不能完全恢復(fù)的稱塑性體。構(gòu)成固體的粒子可以是原子、離子或分子,這些粒子都有固定的平衡位置。但由于這些粒子的排列方式不同,固體又可分為兩類,即晶體和非晶體。如果粒子的排列具有規(guī)則的幾何形狀,在空間是三維重復(fù)排列,這樣的物質(zhì)叫晶體,如金屬、食鹽、金剛石等。如果組成固體的粒子雜亂堆積,分布混亂,這樣的物質(zhì)叫非晶體。如玻璃、石蠟、瀝青等。晶體有一定的熔點(diǎn),而非晶體卻沒有固定的熔解溫度。非晶體的熔解和凝固過程是隨溫度的改變而逐漸完成的。它的固態(tài)和液態(tài)之間沒有明顯的界限。 

【液體】液體的分子結(jié)構(gòu)介于固體與氣體之間,它有一定的體積,卻沒有一定的形狀。液體的形狀決定于容器的形狀。在外力作用下,液體被壓縮性小,不易改變其體積,但流動(dòng)性較大。由于受重力的作用,液面呈水平面,即和重力相垂直的表面。從微觀結(jié)構(gòu)來看,液體分子之間的距離要比氣體分子之間的距離小得多,所以液體分子彼此之間是受分子力約束的,在一般情況下分子不容易逃逸。液體分子一般只在平衡位置附近作無規(guī)則振動(dòng),在振動(dòng)過程中各分子的能量將發(fā)生變化。當(dāng)某些分子的能量大到一定程度時(shí),將作相對的移動(dòng)改變它的平衡位置,所以液體具有流動(dòng)性。液體在任何溫度下都能蒸發(fā),若加熱到沸點(diǎn)時(shí)迅速變?yōu)闅怏w。若將液體冷卻,則在凝固點(diǎn)凝結(jié)為固體(晶體)或逐漸失去流動(dòng)性。 

【氣體】是物質(zhì)三種聚集狀態(tài)之一。氣體分子間的距離很大,分子間的相互作用力很小,彼此之間不能約束,所以氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度較快,因此它的體積和形狀都隨著容器而改變。氣體分子都在作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),在它們之間沒有發(fā)生碰撞(或碰撞器壁)之前,氣體分子作勻速直線運(yùn)動(dòng),只有在彼此之間發(fā)生碰撞時(shí),才改變運(yùn)動(dòng)的方向和運(yùn)動(dòng)速度的大小。由于和器壁碰撞而產(chǎn)生壓強(qiáng),因此溫度越高、分子運(yùn)動(dòng)越劇烈,壓強(qiáng)就越大。又因?yàn)闅怏w分子間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子本身的體積,所以氣體的密度較小,且很容易被壓縮。任何氣體都可以用降低溫度或在臨界溫度以下壓縮氣體體積的方法使它變?yōu)橐后w。所以,對一定量的氣體而言,它既沒有一定的體積,也沒有一定的形狀,它總是充滿盛它的容器。根據(jù)阿伏伽德羅定律,各種氣體在相同的溫度和壓強(qiáng)下,在相同的體積里所包含的分子數(shù)都相同。

【晶體】具有規(guī)則幾何形狀的固體。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的原子、離子或分子都在空間呈有規(guī)則的三維重復(fù)排列而組成一定型式的晶格。這種排列稱為晶體結(jié)構(gòu)。晶體點(diǎn)陣是晶體粒子所在位置的點(diǎn)在空間的排列。相應(yīng)地在外形上表現(xiàn)為一定形狀的幾何多面體,這是它的宏觀特性。同一種晶體的外形不完全一樣,但卻有共同的特點(diǎn)。各相應(yīng)晶面間的夾角恒定不變,這條規(guī)律稱為晶面角守恒定律,它是晶體學(xué)中重要的定律之一,是鑒別各種礦石的依據(jù)。晶體的一個(gè)基本特性是各向異性,即在各個(gè)不同的方向上具有不同的物理性質(zhì),如力學(xué)性質(zhì)(硬度、彈性模量等等)、熱學(xué)性質(zhì)(熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等等)、電學(xué)性質(zhì)(介電常數(shù)、電阻率等等)光學(xué)性質(zhì)(吸收系數(shù)、折射率等等)。例如,外力作用在云母的結(jié)晶薄片上,沿平行于薄片的平面很容易裂開,但在薄片上裂開則非易事。巖鹽則容易裂成立方體。這種易于劈裂的平面稱為解理面。在云母片上涂層薄石蠟,用燒熱的鋼針觸云母片的反面,便會以接觸點(diǎn)為中心,逐漸化成橢圓形,說明云母在不同方向上導(dǎo)熱系數(shù)不同。晶體的熱膨脹也具各向異性,如石墨加熱時(shí)沿某些方向膨脹,沿另一些方向收縮。晶體的另一基本特點(diǎn)是有一定的熔點(diǎn),不同的晶體有它不相同的熔點(diǎn)。且在熔解過程中溫度保持不變。對晶體微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識是隨生產(chǎn)和科學(xué)的發(fā)展而逐漸深入的。1860年就有人設(shè)想晶體是由原子規(guī)則排列而成的,1912年勞埃用X射線衍射現(xiàn)象證實(shí)這一假設(shè)?,F(xiàn)在已能用電子顯微鏡對晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和照相,更有力地證明假想的正確性。 

【非晶體】指組成它的原子或離子不是作有規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)。如玻璃、松脂、瀝青、橡膠、塑料、人造絲等都是非晶體。從本質(zhì)上說,非晶體是粘滯性很大的液體。解理面的存在說明晶體在不同方向上具有不同的力學(xué)性質(zhì),非晶體破碎時(shí)因各向同性而沒有解理面,例如,玻璃碎片的形狀就是任意的。若在玻璃上涂一薄層石蠟,用燒熱的鋼針觸及背面,則以觸點(diǎn)為中心,將見到熔化的石蠟成圓形。這說明導(dǎo)熱系數(shù)相同。非晶體沒有固定的熔點(diǎn),隨著溫度升高,物質(zhì)首先變軟,然后由稠逐漸變稀,成為流體。具有一定的熔點(diǎn)是一切晶體的宏觀特性,也是晶體和非晶體的主要區(qū)別。晶體和非晶體之間是可以轉(zhuǎn)化的。許多物質(zhì)存在的形式,可能是晶體,也可能是非晶體。將水晶熔化后使其冷卻,即成非晶體的石英玻璃,它的轉(zhuǎn)化過程需要一定的條件。 

【各向同性】亦稱均質(zhì)性。物理性質(zhì)不隨量度方向變化的特性。即沿物體不同方向所測得的性能,顯示出同樣的數(shù)值。如所有的氣體、液體(液晶除外)以及非晶質(zhì)物質(zhì)都顯示各向同性。例如,金屬和巖石雖然沒有規(guī)則的幾何外形,各方向的物理性質(zhì)也都相同,但因?yàn)樗鼈兪怯稍S多晶粒構(gòu)成的,實(shí)質(zhì)上它們是晶體,也具有一定的熔點(diǎn)。由于晶粒在空間方位上排列是無規(guī)則的,所以金屬的整體表現(xiàn)出各向同性。

【各向異性】亦稱非均質(zhì)性。物理性質(zhì)隨量度的方向而變化的通性,稱為各向異性。各向異性是晶體的重要特征之一。即在各個(gè)不同的方向上具有不同的物理性質(zhì),如力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)等。參見晶體條。

【多晶體】由許多晶體(稱為晶料)構(gòu)成的物體,稱多晶體。一塊晶體是由許多小的晶粒聚合起來組成的。每一晶粒又由許多原子構(gòu)成。原子在每一晶粒中作有規(guī)則的整齊排列,各個(gè)晶粒中原子的排列方式都是相同的。但是在一塊晶體中,各個(gè)晶粒的取向彼此不同,晶粒與晶粒之間并沒有按照一定的規(guī)則排列。盡管每個(gè)晶粒內(nèi)部原子排列很整齊,但由于一塊晶體內(nèi)部各個(gè)晶粒的排列不規(guī)則,總的來看是雜亂無章的,這樣的多晶體不能用來制造晶體管。例如多晶硅可用來拉制單晶,稱為單晶硅。摻有特定微量雜質(zhì)的單晶硅,可制成大功率晶體管、整流器及太陽能電池等。 

【單晶體】簡稱單晶。單個(gè)晶體構(gòu)成的物體。在單晶體中所有晶胞均呈相同的位向。單晶體具有各向異性。自然界存在的單晶,如金剛石的晶體等。亦可由人工將多晶體拉制成單晶體,如電子器件中所用的鍺及硅的單晶體。

【解理面】晶體中易于劈裂的平面稱為解理面。凡顯露在晶體外表的晶面往往是一些解理面。例如,云母結(jié)晶薄片,在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面裂開,石膏也容易沿一定方向裂成薄片,巖鹽則容易裂成立方體。解理面的存在,說明晶體在不同方向上具有不同的力學(xué)性質(zhì)。非晶體破碎時(shí)因各向同性而沒有解理面,例如,玻璃碎片形狀就是完全任意的。 

【結(jié)合力】晶體中粒子之間存在著相互作用力,這種力稱為結(jié)合力。這種力使粒子規(guī)則地聚集在一起形成空間點(diǎn)陣,使晶體具有彈性、具有確定的熔點(diǎn)和熔解熱,決定晶體的熱膨脹系數(shù)等等。因此結(jié)合力是決定晶體性質(zhì)的一個(gè)主要因素??蓮乃姆N典型的結(jié)合力(離子鍵、共價(jià)鍵、范德瓦耳斯鍵和金屬鍵)的本質(zhì)和有關(guān)結(jié)合力的規(guī)律來進(jìn)一步探討。 

【離子鍵】將正、負(fù)離子結(jié)合在一起的靜電力,稱為離子鍵。由離子鍵的作用而組成的晶體,稱為離子晶體。最典型的離子晶體是NaCl。由于離子鍵的作用強(qiáng),因此離子晶體具有高的熔點(diǎn),低的揮發(fā)性和大的壓縮模量。 

【共價(jià)鍵】因共有電子而產(chǎn)生的結(jié)合力稱為共價(jià)鍵。例如氫分子就是氫原子靠共價(jià)鍵而形成的。完全由負(fù)電性元素組成晶體時(shí),粒子之間的結(jié)合力就是共價(jià)鍵。由共價(jià)鍵的作用而組成的晶體稱為原子晶體,例如,金剛石和金剛砂(SiC)為典型的原子晶體。由于共價(jià)鍵的作用強(qiáng),所以原子晶體硬度大、熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性差、揮發(fā)性慢。例如,硅、鍺、碲這些半導(dǎo)體中的重要材料都是原子晶體。

【金屬鍵】正離子與自由電子的總體之間的作用力使各粒子結(jié)合在一起,這種結(jié)合力稱為金屬鍵。這種結(jié)合的特點(diǎn)是電子的共有化。在結(jié)合時(shí),原來分屬各自原子的價(jià)電子不再被束縛于其本身,而為所有原子實(shí)所共有。于是共有化電子形成的負(fù)電子云和浸在這個(gè)負(fù)電子云中的帶正電的原子實(shí)之間出現(xiàn)庫侖作用,原子越緊密,勢能越低,從而把原子聚合在一起。由金屬鍵的作用而組成的晶體叫金屬晶體,簡稱金屬。因此金屬可以具有較高的熔點(diǎn),高硬度和低揮發(fā)性,還具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好和金屬光澤,以及較大的范性。

【分子力】組成物體的分子間在距離相當(dāng)近時(shí)所顯示的相互作用力。這種相互作用在分子間距r10-8時(shí)才顯示出來。當(dāng)分子間距r10-10時(shí),分子之間表現(xiàn)為斥力,而當(dāng)分子間距處于10-8>r10-10的范圍內(nèi),分子之間又表現(xiàn)為引力。當(dāng)rr0r0約為10-10左右)時(shí),兩分子之間的引力和斥力將隨距離的縮小而迅速增大,引力比斥力增長慢,總的表現(xiàn)是斥力。

   

    當(dāng)rr0時(shí),兩分子間的斥力和引力都隨距離的增大而減小,但引力減小得慢,總的表現(xiàn)出是一種引力。當(dāng)r=r0時(shí),兩分子之間的引力和斥力相等,作用的合力為零。分子間的作用同時(shí)存在引力和斥力,由于這兩個(gè)力隨分子間距離變化的情況不同,所表現(xiàn)出來的合力有時(shí)為引力,有時(shí)為斥力,有時(shí)為零。分子力的本質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜,它與分子的電性結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。對于氣體,在一般條件下,分子之間的距離較大,其分子力是微不足道的,可以忽略。但在低溫、高壓情況下,分子力不能忽略。固體和液體分子聚集的主要因素是分子力,使它們有一系列不同于氣體的性質(zhì)。此外,分子之間的作用力在不同的情況下表現(xiàn)的形式是不同的。有時(shí)表現(xiàn)為內(nèi)聚力,有時(shí)表現(xiàn)為附著力。

【內(nèi)聚力】是在同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力,這種相互吸引力是同種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)。只有在各分子十分接近時(shí)(小于10-6厘米)才顯示出來。內(nèi)聚力能使物質(zhì)聚集成液體或固體。特別是在與固體接觸的液體附著層中,由于內(nèi)聚力與附著力相對大小的不同,致使液體浸潤固體或不浸潤固體。

【附著力】是在兩種不同物質(zhì)的接觸處所發(fā)生的相互吸引力。這種相互吸引力是兩種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)。只有在這兩種物質(zhì)的分子十分接近(小于10-8)時(shí)才顯示出來。從微觀角度來看固體表面總是“粗糙的,所以兩固體接觸時(shí)很難顯示附著力的作用。液體與固體則能密切接觸,它們之間就容易顯示附著力的作用。液體浸潤固體的現(xiàn)象,就是附著力發(fā)生作用的結(jié)果。總之附著力和內(nèi)聚力都來源于分子之間的作用力,但不能把分子之間的作用力稱為附著力或內(nèi)聚力,因附著力和內(nèi)聚力是指物質(zhì)各部分間的相互作用,并不是指某幾個(gè)分子之間的相互作用。

【表面張力】液體表面分子間的吸引力。即液體表面的分子有一種使其面積縮成最小的力,或稱一種抵抗表面積擴(kuò)張的力,此力稱表面張力。液體表面是指液體與空氣或其他液體相接觸的自由面。若不指明,即可認(rèn)為相對于空氣而言。表面張力的大小與接觸面的物質(zhì)有密切關(guān)系。此外,表面張力還與溫度有關(guān),溫度越高,表面張力越小。表面張力的方向總是與液面相切,與分界線相垂直。若在液面作一長為L的直線,將液面分成兩部分,這兩部分之間的相互牽引力為F,則表面張力F=σL。其中σ為液體表面張力系數(shù)。表面張力的單位為牛頓/米。由于表面張力的作用,液滴表面有收縮到最小的趨勢,而使液滴成近似球形的狀態(tài)。 

【液體的表面層】液體自由面以下厚度等于分子力作用半徑的一層液體層,叫做液體表面層。從微觀角度來看,液體表面并不是一個(gè)幾何面,而是有一定厚度的薄層。由于表面層內(nèi)的分子力作用,使分子都受到一個(gè)與液體自由面相垂直、方向指向液體內(nèi)部的作用力。表面張力就是由表面層中應(yīng)力的各向異性所引起的。 

【液體的附著層】設(shè)液體分子的分子力作用半徑為r,固體分子的分子力作用半徑為l,當(dāng)液體與固體接觸時(shí),在界面處液體一側(cè)厚度等于r(當(dāng)rl時(shí)),或等于l(當(dāng)lr時(shí))的一層液體層,叫做液體的附著層。在附著層中的液體分子,是處于液體與固體兩種物質(zhì)分子的分子力相互作用下,于是在與固體接觸處的液面將出現(xiàn)浸潤、不浸潤、彎月面以及毛細(xì)現(xiàn)象等。

【浸潤現(xiàn)象】亦稱潤濕現(xiàn)象。當(dāng)液體與固體接觸時(shí),液體的附著層將沿固體表面延伸。當(dāng)接觸角θ為銳角時(shí),液體潤濕固體,若θ為零時(shí),液體將展延到全部固體表面上,這種現(xiàn)象叫做浸潤現(xiàn)象。如圖2-2a、b所示。潤濕現(xiàn)象的產(chǎn)生與液體和固體的性質(zhì)有關(guān)。同一種液體,能潤濕某些固體的表面,但對另外某些固體的表面就很難潤濕。例如,水能潤濕玻璃,但不能潤濕石蠟。造成浸潤現(xiàn)象的原因,可從能量的觀點(diǎn)來說明。如圖2-3所示。A為附著層中任一分子,在附著力大于內(nèi)聚力的情況下,分子A所受的合力與附著層相垂直,指向固體,此時(shí),分子在附著層內(nèi)比在液體內(nèi)部具有較小的勢能,液體分子要盡量擠入附著層,結(jié)果使附著層擴(kuò)展。附著層中的液體分子越多,系統(tǒng)的能量就越低,狀態(tài)也就越穩(wěn)定。因此引起了附著層沿固體表面延展而將固體潤濕。   

【不浸潤現(xiàn)象】亦稱不潤濕現(xiàn)象。當(dāng)液體與固體接觸時(shí),液體的附著層將沿固體表面收縮。當(dāng)接觸角θ為鈍角時(shí),液體不潤濕固體,若θ=π時(shí),液體完全不潤濕固體。這種現(xiàn)象稱為液體不浸潤現(xiàn)象。如圖2-4ab所示。不潤濕現(xiàn)象的產(chǎn)生與液體和固體性質(zhì)有關(guān)。同一種液體,能潤濕某些固體的表面,但不能潤濕另一些固體的表面。例如,水銀不能潤濕玻璃,卻能潤濕干凈的鋅板、銅板、鐵板。造成不浸潤現(xiàn)象的原因,可從能量的觀點(diǎn)來說明。A為附著層中任一分子,在內(nèi)聚力大于附著力的情況下,分子A受到的合力f垂直于附著層指向液體內(nèi)部,此時(shí),若將一個(gè)分子從液體內(nèi)部移到附著層,必須反抗合力f作功,結(jié)果將使附著層中勢能增大。附著層中的液體分子越少,系統(tǒng)的能量就越低,狀態(tài)就越穩(wěn)定,因此附著層就有縮小的趨勢,宏觀上就表現(xiàn)出液體不被固體所吸附。當(dāng)然液體就不能潤濕固體了。

【彎月面】由于液體對固體浸潤或不浸潤的作用,使液體在圓柱形的管子里,呈現(xiàn)不同的液面。凡不浸潤固體的液體表面呈凸?fàn)?。例如水銀裝在玻璃管內(nèi),液面即成凸?fàn)?,而浸潤體的液體表面則成凹狀,例如,水裝在玻璃管內(nèi)其液面即成凹面狀態(tài)。這些彎曲的液面,統(tǒng)稱為彎月面。

【布朗運(yùn)動(dòng)】懸浮在液體或氣體中的微粒所作的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng),叫做布朗運(yùn)動(dòng)。作布朗運(yùn)動(dòng)的微粒(直徑約為10-1510-3厘米)稱為布朗微粒。布朗運(yùn)動(dòng)是英國植物學(xué)家布朗于1827年觀察懸浮在溶液中花粉運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。這些小的顆粒,為液體的分子所包圍,由于液體分子的熱運(yùn)動(dòng),小顆粒受到來自各個(gè)方向液體分子的碰撞,布朗粒子受到不平衡的沖撞,而作沿沖量較大方向的運(yùn)動(dòng)。又因?yàn)檫@種不平衡的沖撞,使布朗微粒得到的沖量不斷改變方向。所以布朗微粒作無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。溫度越高,布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈。它間接顯示了物質(zhì)分子處于永恒的,無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)之中,所以,布朗運(yùn)動(dòng)只反映了液體分子熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)果,它并不能代表液體分子本身的熱運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)的顆粒并不是單一的分子,每個(gè)小顆粒都含有千百萬個(gè)分子。因此,小顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)只間接地揭露了分子的運(yùn)動(dòng),并不就是分子運(yùn)動(dòng)。由于分子的頻繁碰撞,每個(gè)小顆粒在液體中受周圍液體分子的碰撞每秒鐘約有1021次。在氣體中由于氣體分子的密度較低,小顆粒受氣體分子的碰撞每秒至少也有1015次。在這樣頻繁的碰撞下是很難觀測的。通常在顯微鏡下觀察到的僅是微粒經(jīng)過數(shù)秒或數(shù)十秒鐘運(yùn)動(dòng)的總結(jié)果。但是,布朗運(yùn)動(dòng)并不限于上述懸浮在液體或氣體中的布朗微粒,一切很小的物體受到周圍介質(zhì)分子的撞擊,也會在其平衡位置附近不停地作微小的無規(guī)則顫動(dòng)。例如,靈敏電流計(jì)上的小鏡以及其他儀器上懸掛的細(xì)絲,都會受到周圍空氣分子的碰撞而產(chǎn)生無規(guī)則的扭擺或顫動(dòng)。 

【毛細(xì)管】凡內(nèi)徑很細(xì)的管子叫毛細(xì)管。通常指的是內(nèi)徑等于或小于1毫米的細(xì)管,因管徑有的細(xì)如毛發(fā)故稱毛細(xì)管。例如,水銀溫度計(jì)、鋼筆尖部的狹縫、毛巾和吸墨紙纖維間的縫隙、土壤結(jié)構(gòu)中的細(xì)隙以及植物的根、莖、葉的脈絡(luò)等,都可認(rèn)為是毛細(xì)管。

【毛細(xì)現(xiàn)象】插入液體中的毛細(xì)管,管內(nèi)外的液面會出現(xiàn)高度差。當(dāng)浸潤管壁的液體在毛細(xì)管中上升(即管內(nèi)液面高于管外)或當(dāng)不浸潤管壁的液體在毛細(xì)管中下降(即管內(nèi)液面低于管外),這種現(xiàn)象叫做毛細(xì)現(xiàn)象。產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象原因之一是由于附著層中分子的附著力與內(nèi)聚力的作用,造成浸潤或不浸潤,因而使毛細(xì)管中的液面呈現(xiàn)彎月形。原因之二是由于存在表面張力,從而使彎曲液面產(chǎn)生附加壓強(qiáng)。由于彎月面的形成,使得沿液面切面方向作用的表面張力的合力,在凸彎月面處指向液體內(nèi)部;在凹彎月面處指向液體外部。由于合力的作用使彎月面下液體的壓強(qiáng)發(fā)生了變化——對液體產(chǎn)生一個(gè)附加壓強(qiáng),凸彎月面下液體的壓強(qiáng)大于水平液面下液體的壓強(qiáng),而凹彎月面下液體的壓強(qiáng)小于水平液面下液體的壓強(qiáng)。根據(jù)在盛著同一液體的連通器中,同一高度處各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等的道理,當(dāng)毛細(xì)管里的液面是凹彎月面時(shí),液體不斷地上升,直到上升液柱的靜壓強(qiáng)抵消了附加壓強(qiáng)為止;同樣,當(dāng)液面呈凸月面時(shí),毛細(xì)管里的液體也將下降。當(dāng)液體浸潤管壁致使跟管壁接觸的液面是豎直的,而且表面張力的合力也豎直向上時(shí),若毛細(xì)管內(nèi)半徑為r,液體表面張力系數(shù)是σ,沿周界2πr作用的表面張力的合力等于2πrσ。在液面停止上升時(shí),此一作用力恰好跟毛細(xì)管中液體柱的重量相平衡。

【半透膜】只允許某種混合氣體或溶液中的某一種物質(zhì)透過而不允許另一種物質(zhì)透過的薄膜,叫做半透膜。例如,動(dòng)物的膀胱,只允許水分子通過,而不允許糖的分子透過。腸壁膜、玻璃紙等,主要由于膜的微細(xì)孔而形成半透膜,半透膜性能與孔的大小有關(guān)。

【滲透】被半透膜所隔開的兩種液體,當(dāng)處于相同的壓強(qiáng)時(shí),純?nèi)軇┩ㄟ^半透膜而進(jìn)入溶液的現(xiàn)象,稱為滲透。滲透作用不僅發(fā)生于純?nèi)軇┖腿芤褐g,而且還可以在同種不同濃度溶液之間發(fā)生。低濃度的溶液通過半透膜進(jìn)入高濃度的溶液中。砂糖、食鹽等結(jié)晶體之水溶液,易通過半透膜,而糊狀、膠狀等非結(jié)晶體則不能通過。滲透現(xiàn)象,在生物機(jī)體內(nèi)發(fā)生的許多過程都與此有關(guān)。如各物浸于水中則膨脹;植物從其根部吸收養(yǎng)分;動(dòng)物體內(nèi)的養(yǎng)分,透過薄膜而進(jìn)入血液中等現(xiàn)象都是滲透作用。 

【滲透壓強(qiáng)】簡稱滲透壓。當(dāng)溶液和溶劑之間被半透膜隔開時(shí),純?nèi)軇ㄟ^半透膜進(jìn)入溶液而使溶液變淡。若在原溶液上,加一適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng),恰好阻止了純?nèi)軇┻M(jìn)入溶液,此時(shí),所施加的壓強(qiáng)就等于原溶液中溶質(zhì)的滲透壓強(qiáng)。當(dāng)濃度不太大時(shí),溶液的滲透壓與濃度及絕對溫度成正比,而與純?nèi)軇┑膲簭?qiáng)無關(guān)。根據(jù)范托夫理論,滲透壓P在稀溶液時(shí)等于  這就是用來表示滲透壓強(qiáng)的范托夫公式,由公式知:若溫度一定,溶質(zhì)的滲透壓強(qiáng)P與溶液濃度C成正比;若濃度一定,溶質(zhì)的滲透壓強(qiáng)P與溶液的絕對溫度T成正比;對不同的溶質(zhì),若濃度和溫度均相同,則滲透壓強(qiáng)P與溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量μ成反比。此公式只適用于不導(dǎo)電的稀溶液;而不適用于電解液和濃度較高的非導(dǎo)電溶液。

【摩爾】它是國際單位制中物質(zhì)的量的基本單位,符號為mol。含有的基本單元數(shù)與0.012千克12的原子數(shù)相等。使用這單位時(shí)必須指明是什么樣的基本單元,它可以是原子、分子、離子、電子、光子等。1摩爾含有6.02252×1023個(gè)基本單元。1摩爾原子量為A的元素具有A克質(zhì)量(以前稱1原子)。1摩爾分子量為M的化合物具有M克質(zhì)量(以前稱為1分子)。

【擴(kuò)散】由于粒子(原子、分子或分子集團(tuán))的熱運(yùn)動(dòng)自發(fā)地產(chǎn)生物質(zhì)遷移現(xiàn)象叫擴(kuò)散。擴(kuò)散可以在同一物質(zhì)的一相或固、液、氣多相間進(jìn)行。也可以在不同的固體、液體和氣體間進(jìn)行。主要由于濃度差或溫度差所引起。一般是從濃度較大的區(qū)域向濃度較小的區(qū)域擴(kuò)散,直到相內(nèi)各部分的濃度達(dá)到均勻或兩相間的濃度達(dá)到平衡時(shí)為止。物質(zhì)直接互相接觸時(shí),稱自由擴(kuò)散。若擴(kuò)散是經(jīng)過隔離物質(zhì)進(jìn)行時(shí),則稱為滲透。在自然界中擴(kuò)散現(xiàn)象起著很大的作用。它使整個(gè)地球表面附近的大氣保持相同的成分;土壤里所含有的各種鹽類溶液的擴(kuò)散,便于植物吸收,以利生長。此外在半導(dǎo)體,冶金等很多行業(yè)都應(yīng)用擴(kuò)散,以達(dá)目的。擴(kuò)散,熱傳導(dǎo)和粘性通稱為輸運(yùn)現(xiàn)象,其分別將物質(zhì)(質(zhì)量)、熱能、動(dòng)量由一位置移至另一位置,從而達(dá)到濃度或溫度的均勻。 

【吸收】物質(zhì)吸取其他實(shí)物或能量的過程。氣體被液體或固體吸取,或液體被固體所吸取。在吸收過程中,一種物質(zhì)將另一種物質(zhì)吸進(jìn)體內(nèi)與其融和或化合。例如,硫酸或石灰吸收水分;血液吸收營養(yǎng);氈毯、礦物棉、軟質(zhì)纖維板及膨脹珍珠巖等材料可吸收噪聲;用化學(xué)木漿或棉漿制成紙質(zhì)粗松的吸墨紙,用來吸干墨水。吸收氣體或液體的固體,往往具有多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲波、光波、電磁波的輻射,投射到介質(zhì)表面時(shí),一部分被表面反射,一部分被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。?dāng)能量在介質(zhì)中沿某一方向傳播時(shí),隨入射深度逐漸被介質(zhì)吸收。例如玻璃吸收紫外線,水吸收聲波,金屬吸收X射線等。 

【吸附】在固體或液體表面對氣體或溶質(zhì)的吸著,而形成一層某種物質(zhì)的原子和分子的過程。一切固體的表面都從周圍的大氣中吸附了一層氣體。吸附層可以是化學(xué)鍵的結(jié)合(化學(xué)吸附),也可以是范德瓦耳斯力的結(jié)合(物理吸附)。物理吸附是以分子間力相互吸引的,例如活性炭吸附各種氣體?;瘜W(xué)吸附,一般吸附熱較大,如鎳催化劑吸附氫氣。在防毒、脫色等方面,吸附現(xiàn)象起一定的作用。 

【液晶】是某些有機(jī)化合物,在一定溫度范圍內(nèi),并不由固態(tài)直接變?yōu)橐簯B(tài),而呈現(xiàn)一種中間狀態(tài),這種處在過渡狀態(tài)的物質(zhì)稱為液晶。即液態(tài)晶體的簡稱。液晶的力學(xué)性質(zhì),像是液體,具有液體的流動(dòng)性。它的光學(xué)性質(zhì)像是晶體,具有晶體的有序性。從某個(gè)方面來看,液晶的分子排列比較整齊,有特殊的取向,分子運(yùn)動(dòng)也有特定的規(guī)律,因而液晶既有液體的流動(dòng)性,又具有表面張力。但從另一方面看,分子排列雜亂無章,只有近程有序特點(diǎn),而沒有不可改變的固定結(jié)構(gòu),因此它也呈現(xiàn)某些晶體的光學(xué)性質(zhì)(如光學(xué)的各向異性、雙折射、圓二向色散等)。液晶只能存在于一定的溫度范圍內(nèi),這一溫度范圍的下限T1稱為熔點(diǎn),其上限T2稱清亮點(diǎn)。當(dāng)溫度TT1時(shí),液晶就變?yōu)槠胀ǖ木w,失去流動(dòng)性;當(dāng)溫度TT2時(shí),液晶就變成普通的透明液體,失去上述的光學(xué)性質(zhì),稱為各向同性液。只有在這個(gè)溫度范圍內(nèi),物質(zhì)才處于液晶態(tài),才具有種種奇特的性質(zhì)和許多特殊的用途。根據(jù)分子的不同排列情況,液晶可分為向列型,膽甾型和近晶型三種。近年來膽甾型液晶,用于溫度指示、無損傷探及醫(yī)療診斷方面。向列型液晶已用于電子工業(yè),作為顯示的材料,還用于分析化學(xué)(氣相色譜和核磁共振)等方面。早在1881年就已發(fā)現(xiàn)液晶,受條件限制發(fā)展較慢,到1968年發(fā)現(xiàn)液晶的動(dòng)態(tài)散射現(xiàn)象后,才獲得進(jìn)展。

【熱質(zhì)說】是在19世紀(jì)初期以前流行的一種對熱的本性解釋的學(xué)說。它認(rèn)為是一種沒有質(zhì)量,也沒有體積的流質(zhì),稱之為熱質(zhì)。含熱質(zhì)越多的物體,溫度就越高,所以物體溫度的高低是取決于熱質(zhì)的含量。它還認(rèn)為熱質(zhì)可以滲入一切物體之中,熱質(zhì)可以從溫度高的物體向溫度低的物體流動(dòng)。當(dāng)時(shí)就有人發(fā)現(xiàn)熱質(zhì)說對摩擦生熱等現(xiàn)象無法解釋,而且是矛盾的。后來人們逐漸認(rèn)識到熱現(xiàn)象是與構(gòu)成物質(zhì)的微粒的運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系,熱質(zhì)并不存在。到19世紀(jì)中期有關(guān)熱質(zhì)說即被廢棄。

【熱傳遞】亦稱傳熱。物質(zhì)系統(tǒng)間的能量轉(zhuǎn)移過程。即內(nèi)能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到同一物體鄰近部分的過程,叫做熱傳遞。內(nèi)能永遠(yuǎn)自發(fā)地從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞。在所有條件都相同的情況下,兩個(gè)物體溫度相差越大,內(nèi)能的傳遞速度也快,當(dāng)冷熱程度不同的物體互相接觸時(shí),熱傳遞要進(jìn)行到它們的溫度相等時(shí)才會停止,即達(dá)到熱平衡。一個(gè)物體不同部分的溫度有差別,熱傳遞在物體內(nèi)部也要進(jìn)行,直到溫度相同為止。雖然參加熱傳遞過程的物體的溫度將發(fā)生這樣或那樣的變化,但傳遞的能量與溫度的變化之間沒有必然的聯(lián)系。熱傳遞的方式有三種:即對流、傳導(dǎo)和輻射。這三種熱傳遞的方式往往是伴隨著進(jìn)行的。

【熱接觸】在兩個(gè)系統(tǒng)相互接觸時(shí),在系統(tǒng)間發(fā)生了熱量的傳遞,這種接觸即稱為熱接觸。 

【熱平衡】當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)互相接觸時(shí),如有溫度的差異,其各自的狀態(tài)可能發(fā)生變化,一段時(shí)間后,不再發(fā)生熱量的傳遞,兩系統(tǒng)將達(dá)到熱平衡狀態(tài)。這種熱平衡是經(jīng)過熱傳遞出現(xiàn)的。某一系統(tǒng),與外界接觸時(shí),其內(nèi)部溫度各處均勻,且與外界的溫度相等,亦呈現(xiàn)熱平衡。 

【熱傳導(dǎo)】亦稱導(dǎo)熱。是熱傳遞三種基本方式之一。它是固體中熱傳遞的主要方式,在不流動(dòng)的液體或氣體層中層層傳遞,在流動(dòng)情況下往往與對流同時(shí)發(fā)生。熱傳導(dǎo)實(shí)質(zhì)是由大量物質(zhì)的粒子熱運(yùn)動(dòng)互相撞擊,而使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分,或由高溫物體傳給低溫物體的過程。在固體中,熱傳導(dǎo)的微觀過程是:在溫度高的部分,晶體中結(jié)點(diǎn)上的微粒振動(dòng)動(dòng)能較大。在低溫部分,微粒振動(dòng)動(dòng)能較小。因微粒的振動(dòng)互相聯(lián)系,所以在晶體內(nèi)部就發(fā)生微粒的振動(dòng),動(dòng)能由動(dòng)能大的部分向動(dòng)能小的部分傳遞。在固體中熱的傳導(dǎo),就是能量的遷移。在金屬物質(zhì)中,因存在大量的自由電子,在不停地作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。自由電子在金屬晶體中對熱的傳導(dǎo)起主要作用。在液體中熱傳導(dǎo)表現(xiàn)為:液體分子在溫度高的區(qū)域熱運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng),由于液體分子之間存在著相互作用,熱運(yùn)動(dòng)的能量將逐漸向周圍層層傳遞,引起了熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。由于熱傳導(dǎo)系數(shù)小,傳導(dǎo)的較慢,它與固體相同,而不同于氣體;氣體依靠分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)以及分子間的碰撞,在氣體內(nèi)部發(fā)生能量遷移,從而形成宏觀上的熱量傳遞。 

【對流】是流體(液體和氣體)熱傳遞的主要方式。熱對流指的是液體或氣體由于本身的宏觀運(yùn)動(dòng)而使較熱部分和較冷部分之間通過循環(huán)流動(dòng)的方式相互摻和,以達(dá)到溫度趨于均勻的過程。對流可分自然對流和強(qiáng)迫對流兩種:自然對流是由于流體溫度不均勻引起流體內(nèi)部密度或壓強(qiáng)變化而形成的自然流動(dòng)。例如,氣壓的變化,空氣流動(dòng),風(fēng)的形成,地面空氣受熱上升,上下層空氣產(chǎn)生循環(huán)對流等;而強(qiáng)制對流是因受外力作用或與高溫物體接觸,受迫而流動(dòng)的,叫強(qiáng)制對流。例如,由于人工的攪拌,或機(jī)械力的作用(如鼓風(fēng)機(jī)、水泵等),完全受外界因素的促使而形成對流的。

【熱輻射】熱的一種傳遞方式。它不依賴物質(zhì)的接觸而由熱源自身的溫度作用向外發(fā)射能量,這種傳熱方式叫熱輻射。它和熱的傳導(dǎo)、對流不同。它不依靠媒質(zhì)而把熱直接從一個(gè)系統(tǒng)傳給另一系統(tǒng)。熱輻射是以電磁波輻射的形式發(fā)射出能量,溫度的高低,決定于輻射的強(qiáng)弱。溫度較低時(shí),主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射,當(dāng)溫度為300時(shí),熱輻射中最強(qiáng)的波長在5×10-4厘米左右,即在紅外區(qū)。當(dāng)物體的溫度在500以上至800時(shí),熱輻射中最強(qiáng)的波長成分在可見光區(qū)。例如,太陽表面溫度為6000,它是以熱輻射的形式,經(jīng)宇宙空間傳給地球的。這是熱輻射遠(yuǎn)距離傳熱的主要方式。近距離的熱源,除對流、傳導(dǎo)外,亦將以輻射的方式傳遞熱量。熱輻射有時(shí)亦稱紅外輻射,波長范圍約0.7微米到1毫米,為可見光譜中紅光端以外的電磁輻射。關(guān)于熱輻射,其重要規(guī)律有四個(gè):基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分布定律、斯蒂藩玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這四個(gè)定律,有時(shí)統(tǒng)稱為熱輻射定律。

【保溫瓶】此容器能使放置其中之物體保持較長時(shí)間溫度不變。它既可使開水的溫度在一相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)保持不下降,又可使冰在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)保持不熔化。保溫瓶的玻璃和軟木塞是熱的不良導(dǎo)體,內(nèi)、外瓶膽互不接觸,防止熱的傳導(dǎo)。夾層間已被抽成真空,防止對流作用。在夾層的玻璃壁上鍍一薄層銀(實(shí)際鍍的是水銀),光亮面能把輻射出去的內(nèi)能反射回來。因此保溫瓶把傳導(dǎo)、對流、輻射三種作用盡可能地減少,從而起到保溫作用。

【熱絕緣】阻止或減少熱能傳遞的任何方法謂之熱絕緣。例如,用泡沫材料或鋸末填充的空心墻或屋頂棚,起絕熱作用。

【熱絕緣體】不易傳熱的材料,亦稱熱的不良導(dǎo)體。如石棉等很多材料都是多孔的或纖維狀的固體,它們能把空氣封閉在小孔內(nèi)。氣體不易導(dǎo)熱,并防止對流。瓷、紙、木頭、玻璃、皮革等是熱的不良導(dǎo)體。羊毛、棉花、軟木、除水銀外的液體、以及氣體等都是熱的絕緣體。

【導(dǎo)熱體】具有相當(dāng)高熱導(dǎo)性能的材料。一般情況下各種金屬都是良好的導(dǎo)熱體,最善于傳熱的是銀。 

【熱動(dòng)平衡】當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí),其宏觀物理性質(zhì)是不隨時(shí)間變化的,但從微觀方面來看,組成系統(tǒng)的粒子卻處于永不停息的熱運(yùn)動(dòng)之中。在熱力學(xué)中的平衡是動(dòng)的平衡,故稱作熱動(dòng)平衡。例如,若將兩個(gè)處于不同溫度的銅塊放在一起,將發(fā)生熱量的傳遞,直到兩個(gè)物體的溫度相同時(shí),這兩個(gè)物體就處于熱平衡。液體與其相接觸的飽和蒸氣處于平衡狀態(tài)。從宏觀上看,壓強(qiáng)、密度、溫度等是不變化的。在這種情況下,分子仍在從液態(tài)變成氣態(tài),同時(shí)分子以同樣速率從蒸氣回到液體。因此稱這種類型的平衡為熱動(dòng)平衡。 

【紅熱】系統(tǒng)的大量微觀粒子(分子、原子等)的混亂運(yùn)動(dòng),即組成宏觀物體或系統(tǒng)的大量微觀粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這種形式的運(yùn)動(dòng)越劇烈,那么,由這些微觀粒子所組成的物體或系統(tǒng)就越熱。隨著溫度升高,物體開始發(fā)出可見光,首先是波長較長的紅色部分,由暗紅色逐漸變成橙紅色。處于這種紅熱狀態(tài)的物體,溫度為5001200之間。溫度再升高,物體將由紅熱轉(zhuǎn)換為白熾狀態(tài)。物體受熱達(dá)到紅光的狀態(tài)稱為紅熱。 

【白熱】系統(tǒng)的溫度升高到12001500時(shí),系統(tǒng)所發(fā)出的可見光中除波長較長的紅、黃色光外,還有較多的綠、藍(lán)色波長較短的光,呈現(xiàn)耀眼的白光。此時(shí)系統(tǒng)處于白熾狀態(tài)。這種狀態(tài)謂之白熱。參見紅熱條。 

【熱膨脹】物體因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象叫熱膨脹。通常是指外壓強(qiáng)不變的情況下,大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時(shí),其體積增大,溫度降低時(shí)體積縮小。在相同條件下,氣體膨脹最大,液體膨脹次之,固體膨脹最小。也有少數(shù)物質(zhì)在一定的溫度范圍內(nèi),溫度升高時(shí),其體積反而減小。因?yàn)槲矬w溫度升高時(shí),分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能增大,分子間的距離也增大,物體的體積隨之而擴(kuò)大;溫度降低,物體冷卻時(shí)分子的平均動(dòng)能變小,使分子間距離縮短,于是物體的體積就要縮小。又由于固體、液體和氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能大小不同,因而從熱膨脹的宏觀現(xiàn)象來看亦有顯著的區(qū)別。 

【膨脹系數(shù)】為表征物體受熱時(shí),其長度、面積、體積變化的程度,而引入的物理量。它是線膨脹系數(shù)、面膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)的總稱。

【固體熱膨脹】固體熱膨脹現(xiàn)象,從微觀的觀點(diǎn)來分析,它是由于固體中相鄰粒子間的平均距離隨溫度的升高而增大引起的。晶體中兩相鄰粒子間的勢能是它們中心距離的函數(shù),根據(jù)這種函數(shù)關(guān)系所描繪的曲線,如圖2-6所示,稱為勢能曲線。它是一條非對稱曲線。在一定溫度下,粒子在平衡位置附近振動(dòng)、具有的動(dòng)能為EK,總能量為EK與相互作用能EP之和,它在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中是守恒的。圖中,粒子間最接近的距離是r′,最遠(yuǎn)的距離是r〃。由于距離減小所引起的斥力增長比由于距離增大所引起的引力下降快的多,因而粒子間接近的距離與粒子間遠(yuǎn)離的距離關(guān)系是 r0r′r-r0所以兩相鄰粒子中心的平均距離為  變的情形。由此可見,當(dāng)晶體溫度升高,粒子熱振動(dòng)加劇,體積膨脹。  

【固體的線膨脹】由于固體隨溫度的變化而變化,當(dāng)溫度變化不太大時(shí),在某一方向長度的改變量稱為固體的線膨脹。例如,一細(xì)金屬棒受熱而伸長。固體的任何線度,例如,長度、寬度、厚度或直徑等,凡受溫度影響而變化的,都稱之為線膨脹。 

【線膨脹系數(shù)】亦稱線脹系數(shù)。固體物質(zhì)的溫度每改變1攝氏度時(shí),其長度的變化和它在0時(shí)長度之比,叫做線膨脹系數(shù)。單位為1/開。符號為αl。其定義式是  即有lt=l0l+αlt)。由于物質(zhì)的不同,線膨脹系數(shù)亦不相同,其數(shù)值也與實(shí)際溫度和確定長度l時(shí)所選定的參考溫度有關(guān),但由于固體的線膨脹系數(shù)變化不大,通常可忽略這種變化,而將α當(dāng)作與溫度無關(guān)的常數(shù)。

【固體的面膨脹】當(dāng)固體的溫度變化不大時(shí),其表面積隨溫度的升高而增大,這一現(xiàn)象叫固體的面膨脹。遵循的規(guī)律為:St=S01+αst)式中αs為面膨脹系數(shù),單位是1/開,其量值為αs≈2ατ。 

【固體的體膨脹】當(dāng)固體的溫度變化不大時(shí),其體積隨溫度的升高而增大,這一現(xiàn)象叫固體的體膨脹。 

【體積膨脹系數(shù)】或稱體脹系數(shù)。無論物質(zhì)是哪種(固體、液體或氣體)形態(tài)的變化,都稱之為體膨脹。當(dāng)物體溫度改變1攝氏度時(shí),其體積的變化和它在0時(shí)體積之比,叫做體積膨脹系數(shù)。符號用α表示。設(shè)在0時(shí)物質(zhì)的體積為V0,在t時(shí)的體積為Vt,則體脹系數(shù)的定義式為  即有Vt=V01+αt)。由于固體或液體的膨脹系數(shù)很小,為計(jì)算方便起見,在溫度不甚高時(shí),可直接用下式計(jì)算,無需再求0時(shí)的體積V0V2=V1[1+αt2-t1]。式中V1是在t1時(shí)的體積,V2是在t2時(shí)的體積。這一式只適用于固體或液體,因?yàn)闅怏w物質(zhì)的膨脹系數(shù)值較大,不能運(yùn)用此式。

【液體熱膨脹】液體是流體,因而只有一定的體積,而沒有一定的形狀。它的體膨脹遵循Vt=V01+βt)的規(guī)律,β是液體的體膨脹系數(shù)。其膨脹系數(shù),一般情況是比固體大得多。 

【氣體的熱膨脹】氣體熱膨脹的規(guī)律較復(fù)雜,當(dāng)一定質(zhì)量氣體的體積,受溫度影響上升變化時(shí),它的壓強(qiáng)也可能發(fā)生變化。若保持壓強(qiáng)不變,則一定質(zhì)量的氣體,必然遵循著Vt=V01+γt)的規(guī)律,式中的γ是氣體的體膨脹系數(shù)。蓋·呂薩克定律,反映了氣體體積隨溫度變化的規(guī)律。這一定律也可表述為:一定質(zhì)量的氣體,在壓強(qiáng)不變的情況下,溫度每升高(或降低)1,增加(或減?。┑捏w積等于它在0時(shí)體積。

 【反常膨脹】一般物質(zhì)由于溫度影響,其體積為熱脹冷縮。但也有少數(shù)熱縮冷脹的物質(zhì),如水、銻、鉍、液態(tài)鐵等,在某種條件下恰好與上面的情況相反。實(shí)驗(yàn)證明,對0的水加熱到4時(shí),其體積不但不增大,反而縮小。當(dāng)水的溫度高于4時(shí),它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹。因此,水在4時(shí)的體積最小,密度最大。湖泊里水的表面,當(dāng)冬季氣溫下降時(shí),若水溫在4以上時(shí),上層的水冷卻,體積縮小,密度變大,于是下沉到底部,而下層的暖水就升到上層來。這樣,上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置,整個(gè)的水溫逐漸降低。這種熱的對流現(xiàn)象只能進(jìn)行到所有水的溫度都達(dá)到4時(shí)為止。當(dāng)水溫降到4以下時(shí),上層的水反而膨脹,密度減小,于是冷水層停留在上面繼續(xù)冷卻,一直到溫度下降到0時(shí),上面的冷水層結(jié)成了冰為止。以上階段熱的交換主要形式是對流。當(dāng)冰封水面之后,水的冷卻就完全依靠水的熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行熱傳遞。由于水的導(dǎo)熱性能很差。因此湖底的水溫仍保持在4左右。這種水的反常膨脹特性,保證了水中的動(dòng)植物,能在寒冷季節(jié)內(nèi)生存下來。這里還應(yīng)注意到,冰在冷卻時(shí)與一般物質(zhì)相同,也是縮小的。受熱則膨脹,只有在04的范圍內(nèi)的水才顯示出反常膨脹的現(xiàn)象來。 

【復(fù)合金屬板】由兩種不同金屬(銅片和鐵片)組成長度相同的物體,將它們鉚釘在一起,在室溫情況下是直的。當(dāng)溫度升高后,它們將發(fā)生彎曲。在這種情況下,雖然兩種金屬溫度上升是相同的,但由于它們的線膨脹系數(shù)不同,所以兩種金屬伸長的量不相等,因而發(fā)生彎曲。這種金屬板稱為復(fù)合金屬板。利用雙金屬片的特性,可制成金屬溫度計(jì),或自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度電路的觸點(diǎn)。日光燈電路中的起輝器就是用它來作起動(dòng)開關(guān)的。 

【伸縮管】在溫度變化較大的管道上連接伸縮管或波紋管,是一種保護(hù)措施。由于固體在熱脹冷縮時(shí),長度的變化量雖然不大,但對妨礙它發(fā)生形變的物體,卻有巨大的作用力。例如,截面積為1厘米2、長度為1的鋼條,當(dāng)溫度升高40時(shí),伸長只有約0.0005。如果不讓它伸長,它就會對限制它的物體產(chǎn)生104牛頓的作用力。橫截面積越大,作用力也越大。為此在工程技術(shù)上對于熱膨脹所產(chǎn)生的力,應(yīng)預(yù)先考慮,采取必要的措施。例如,鋼制橋梁必須把一端架置在活動(dòng)支座上,使橋梁能自由伸縮。又如在鋪設(shè)鐵軌時(shí),也都是分段留有膨脹余地。

【金屬溫度計(jì)】利用一種呈弧形的雙金屬片在溫度變化的影響下,雙金屬片帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn),用以指示或自動(dòng)記錄溫度的變化。 

【溫度調(diào)節(jié)器】它是用來保持恒溫的裝置。如圖2-7所示的是一種溫度調(diào)節(jié)器的構(gòu)造原理。弧形的雙金屬片C由于溫度的改變促使其伸展或更加彎曲。在C的自由端固定一塊金屬板L,在C受熱膨脹而伸展時(shí),L與接觸點(diǎn)相接觸;當(dāng)溫度降低時(shí),C將更加彎曲,LK離開。若將LK串接在電熱器的QQ1中,當(dāng)LK相接觸時(shí),電路接通,電熱器開始加熱,使雙金屬片C的溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到某一定值時(shí),由于C更加彎曲,L離開K,電路斷開,電熱器停止加熱。當(dāng)溫度再一次降低時(shí),C又伸展使電路接通。這樣就可以自動(dòng)地保持恒定的溫度。復(fù)合金屬板的里、外層,用線脹系數(shù)大的材料。根據(jù)儀器構(gòu)造的需要,可將膨脹系數(shù)大的重合板用在環(huán)內(nèi)側(cè)或環(huán)外側(cè)。

【相對膨脹】置于容器中的液體,溫度升高后,直接觀察到的并不就是液體的真實(shí)膨脹。因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí),固體容器的容積也要膨脹。因此所見到的膨脹,既有液體的膨脹也有固體的膨脹,這種膨脹是液體相對于容器的膨脹故稱相對膨脹。 

【分子的動(dòng)能】分子作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能叫做分子的動(dòng)能。由于各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速度一般說是不同的,因而分子的動(dòng)能亦不相等,而它們動(dòng)能的平均值,叫做分子平均動(dòng)能。物體的溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的表征;分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈,物體的溫度就越高。也可以說分子的平均動(dòng)能大,物體的溫度就高;分子平均動(dòng)能小,溫度就低。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來看,溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。溫度的升高與降低,標(biāo)志分子平均動(dòng)能的增大或減小。物體的動(dòng)能是一種機(jī)械能,是力學(xué)中的量。它只跟物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)有關(guān),而跟物體內(nèi)部分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)無關(guān)。分子的平均動(dòng)能,是分子動(dòng)能的平均值,它是熱運(yùn)動(dòng)的能量。

【分子的勢能】由于分子間的相互作用而具有的勢能,叫做分子的勢能。地面上的物體,由于它跟地球相互作用而具有勢能,拉長或壓縮彈簧,反抗彈力做功,使彈簧各部分之間的相對位置發(fā)生變化,增加了彈簧的勢能。一切相互作用的物體都具有由它們的相對位置或物體內(nèi)部各部分之間的相對位置所決定的勢能。若物體間的相互作用力是引力,那么,當(dāng)它們的距離增大時(shí),必須反抗引力做功,使物體的勢能增加;在距離縮小時(shí),引力做功,勢能減小。如果物體之間的相互作用力是斥力,在距離增大時(shí),物體的勢能減少;距離縮小,物體的勢能增加。分子之間也存在相互作用力,并且隨著距離的不同,有時(shí)表現(xiàn)為引力,有時(shí)表現(xiàn)為斥力。因此,分子也具有由它們的相對位置所決定的勢能。 

【分子平均動(dòng)能】見分子的動(dòng)能。

【內(nèi)能】內(nèi)能是指由物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)看,熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能,包括組成物質(zhì)的所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、分子與分子間相互作用的勢能的總和,以及分子中原子、電子運(yùn)動(dòng)的能量和原子核內(nèi)的能量等等。當(dāng)有電磁場和系統(tǒng)相互作用時(shí),還應(yīng)包括相應(yīng)的電磁形式的能。內(nèi)能是熱力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù),完全由系統(tǒng)的初、終狀態(tài)所決定的物理量。當(dāng)狀態(tài)一定時(shí),系統(tǒng)的內(nèi)能也一定。當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)狀態(tài)時(shí),不論這種轉(zhuǎn)變通過什么過程實(shí)現(xiàn),只要系統(tǒng)的初、終狀態(tài)不變,在各種不同的絕熱過程中,采用各不相同的做功形式,所測得功的數(shù)值都相同,而與轉(zhuǎn)變過程無關(guān)。對于均勻系統(tǒng)而言,若沒有外力場的作用,內(nèi)能可以表示為溫度T和體積V的函數(shù),即U=UTV)。當(dāng)溫度和體積分別增加dTdV時(shí),內(nèi)能的增加量可如下表示  式中CVCP分別為系統(tǒng)的定容熱容量和定壓熱容量。對于理想氣體系統(tǒng)而言,由于不存在分子間的相互作用,系統(tǒng)的內(nèi)能只是所有分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的總和。而分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能只是溫度的函數(shù),所以理想氣體的內(nèi)能也只是溫度的函數(shù),即U=UT)。當(dāng)溫度增加dT時(shí),內(nèi)能的增量可如下式表示:dU=CVdT。式中CV為理想氣體系統(tǒng)的定容熱容量。物體內(nèi)能的大小跟它的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量越大,即分子數(shù)量越多,它的內(nèi)能就越大。還跟物體的溫度和物體的聚集態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))以及物體存在的狀態(tài)(整塊、碎塊或粉末)有關(guān)。其原因是物體溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)越快,分子動(dòng)能越大;分子間距離越大,分子的勢能就越大。對氣體來說,它的內(nèi)能基本上只有分子的動(dòng)能。因氣體分子間的距離已經(jīng)變得很大,它們之間相互作用力實(shí)際上已不再發(fā)生作用,所以氣體分子的勢能可以忽略。物體的內(nèi)能跟整個(gè)物體的機(jī)械能含義不同,只要是物體的溫度、體積、形狀、物態(tài)不變,盡管它的機(jī)械能在變,它的內(nèi)能仍保持不變。

物體的溫度升高,物體內(nèi)能增加。因?yàn)榉肿訜o規(guī)則運(yùn)動(dòng)加快,分子的動(dòng)能增加;還因?yàn)橐话阄矬w受熱體積膨脹,分子間距離增大,分子的勢能增加。相反,物體的溫度降低時(shí),物體的內(nèi)能就減少。整塊物體破成碎塊或粉末,分子的勢能就要增加。物態(tài)變化也伴隨物體內(nèi)能的變化。在熔解、蒸發(fā)、沸騰等過程中,物體的內(nèi)能增加。相反,在凝固和液化等過程中,物體的內(nèi)能減少。改變物體內(nèi)能的方式是做功和熱傳遞兩種方式。 

【物體的狀態(tài)】物體的狀態(tài)是指它所處的情況。物體的狀態(tài)由一組物理量來確定,例如,物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是指它的位置和速度;一定質(zhì)量氣體的熱學(xué)狀態(tài)由它的溫度、壓強(qiáng)、體積這三個(gè)物理量中的任意兩個(gè)量來確定;物體的狀態(tài)也指它的聚集態(tài)(固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)),是整塊的還是分散的。 

【分散】把整塊物體分裂成粉末或碎片的現(xiàn)象,叫做物體的分散。它是物體狀態(tài)變化中一種很重要的概念。例如,噴霧器將水噴出;在黑板上用粉筆寫字;用鉛筆在紙上繪圖;磨粉機(jī)磨面粉;車刀切削金屬等都是分散的事例。物體在分散時(shí),分子間的平均距離有了增加,這就需要克服分子間的引力做功。所以分子相互作用的勢能就要增加。 

【物體內(nèi)能的變化】改變物體的內(nèi)能有兩種方式:一種叫做做功,另一種叫做熱傳遞。熱傳遞只能發(fā)生在溫度不同的兩個(gè)物體之間,或一個(gè)物體的溫度不同的兩個(gè)部分間。它是溫度不同的兩物體間能量轉(zhuǎn)移的過程,即能量從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。熱傳遞的結(jié)果使兩個(gè)物體的溫度趨于均衡。在熱傳遞的過程中轉(zhuǎn)移的能量,稱之為熱量。改變系統(tǒng)內(nèi)能的另一條途徑是做功。即用機(jī)構(gòu)的或電的辦法來對系統(tǒng)做功以達(dá)到改變其內(nèi)能的目的。對物體傳遞熱量或做功,不但同樣可以改變物體的內(nèi)能,并且在量的方面也具有一定的關(guān)系(熱功當(dāng)量)。

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