3.1 热力学系统的平衡态

热力学和气体动理论研究的是由大量分子或原子等微观粒 子构成的体系,这样的体系称为热力学系统(简称系统);与系统 存在相互作用的周围环境称为外界。根据系统与外界间相互作 用形式的不同,热力学系统可分为三种:① 孤立系统,指与外界 间既不存在物质交换又不存在能量交换的系统;② 封闭系统,指 与外界间仅可以进行能量交换,但不允许物质交换的系统:③ 开 放系统,指与外界间既可以进行物质交换又可以进行能量交换的 系统。

考虑一不受外界影响的系统,例如一定量的气体,被封闭在 容积一定的容器中,若忽略各种影响,则不论气体最初处于什么 状态,经过一段足够长的时间后,气体内各处的宏观性质将趋于 稳定,并且系统将保持这一状态不变。这种在不受外界影响的条 件下,系统各处宏观性质不随时间变化的状态叫作平衡态。这里 所说的不受外界影响,是指系统与外界间既不通过做功也不通过 传热进行能量交换。由于实际中不存在完全不受外界影响的系 统,所以平衡态只是一个理想化的概念。应当指出,热力学系统

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文档:多体系统 统计规律

处于平衡状态时,只是其宏观性质不随时间变化,但从微观上看,组成系统的分子或原子仍在做永不停息的无规则运动,只不过这些微观粒子运动的平均效果不随时间变化而已,因此,常把热力学平衡称为热动平衡。

当系统处于平衡状态时,其宏观性质不随时间变化,相应的宏观量具有确定数值,因此可用几个确定的参量来描述系统平衡态的宏观性质。例如容器内的一定量的化学纯的氮气处于平衡状态时,系统的状态常用气体的体积V和压强p(有时还用温度T)来描述。数值确定的一组V和p代表气体的一个确定的平衡态,当气体处于另一不同的平衡态时,V和p的数值相应发生变化。

在国际单位制(SI)中,体积V的单位是 $m^3$ (立方米)。另外,常用的体积单位还有 $L(\mathcal{H})$ ,它和 $m^3$ 之间的换算关系为:1 $L=10^{-3}$ $m^3$ 。

在国际单位制中,压强 p 的单位是 Pa(帕斯卡),它和单位 atm(标准大气压)之间的换算关系为: 1 atm=1.013 $25\times10^5$ Pa。(注:本书中为简洁起见,部分章节中仍以 atm 作为压强单位。atm 为应停止使用的计量单位,不建议使用。)

温度 T 指的是热力学温度,在国际单位制中,温度的单位为 K( 开尔文)。另外还常用到摄氏温度 $\iota$ ,相应的单位为 $\mathbb{C}$ (摄氏度)。除特别声明外,本书所涉及的温度均为热力学温度。热力学温度和摄氏温度之间存在如下关系:

$$T/K = t/^{\circ}C + 273.15$$

(3.1.1)