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熱平衡

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熱平衡在物理學領域通常指溫度在時間或空間上的穩定。其有時是一個特殊的技術術語。作為技術術語的熱平衡也有兩種含義：一種是系統內部的熱平衡，另一種是兩個物體之間物理狀態的一種關係。系統內部的熱平衡指系統內部溫度時間和空間的一致性。而作為一種關係，它指的是兩體間沒有熱量傳遞。這一條技術含義與溫度的定義密切相關。

兩種技術含義

孤立體的熱平衡

孤立體的熱平衡的前提是沒有熱量流入或流出系統，並且系統能永遠保持其固有屬性。當系統符合上述前提時，其內部溫度會在空間和時間上一致，它也就達到了它的熱平衡。而這並不意味着它內部必須要達到其他平衡。

兩個熱接觸物體的熱平衡關係

兩體間的熱平衡是接觸平衡的一種情況。這意味着它們通過特定的滲透性分區，接觸路徑，進行熱傳遞。[1]由於考察的是熱平衡，所選擇的接觸路徑只對熱量有通透性，而並不允許物質或機械功通過。熱平衡關係的最基本特性是自反性（即A和A自身處於熱平衡）和對稱性（即如果A和B處於熱平衡，那麼B和A也處於熱平衡，這兩點易見是當然、永恆成立的），而傳遞性並不是其最基本的特性。而通過一個簡單推理，我們可以得到一個結論，熱平衡具有傳遞性（即如果A和B處於熱平衡，B和C處於熱平衡，A和C也處於熱平衡）。這一結論是熱力學的一個基本定理，熱力學第零定律。處於熱平衡的系統之間構成的等價類稱等溫線。[2]

熱接觸

封閉系統可以其環境間通過通過熱傳導或熱輻射方式進行熱傳遞。當淨傳遞不為零時，系統的溫度可正在發生變化。在熱傳遞發生過程中，系統與其環境不處於熱平衡。

孤立系統內部狀態的變化

一個系統如果在足夠長的時間裡保持孤立狀態，那麼它就可以實現它內部的熱平衡，即內部溫度的整體一致。但系統在實現熱平衡時並不一定能夠達到熱力學平衡，因為系統自身的結構性的障礙可能會妨礙某些平衡的實現，例如玻璃。一個孤立系統可以通過改變其材料的狀態來改變它的溫度或它內部溫度的空間分布情況。例如，一個一端熱、一端冷的鐵棒，當它被孤立足夠長的時間，則它整體溫度可以變得一致，即逞現熱平衡。又如，對於盛在高度較高的絕熱容器中且開始時溫度不均勻的物質，在重力場長時間作用下，不同高度的溫度可能會變得一致，而壓強或密度可能不盡然如此。[3][4][5][6][7][8][9][10][11]依據熱力學第二定律，這樣的變化總是不可逆的，正過程可以自發進行，而逆過程卻不可以自發進行。

不同溫度的物體在接觸後，熱量會自高溫處流向低溫處，當兩物溫度相同不再改變，即達到熱平衡的狀態。

與熱力學平衡的區別

熱力學平衡包括力學平衡，化學平衡，相平衡和熱平衡；也就是說熱平衡只是熱力學平衡的一個條件。

參考文獻

  1. ^ Münster, A.（1970）. Classical Thermodynamics, translated by E.S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, p.49.
  2. ^ Lieb, E.H., Yngvason, J.（1999）. The physics and mathematics of the second law of thermodynamics, Physics Reports, 314: 1–96, p. 55–56.
  3. ^ Maxwell, J.C.（1867）. On the dynamical theory of gases, Phil. Trans. Roy. Soc. London, 157: 49–88.
  4. ^ Gibbs, J.W.（1876/1878）. On the equilibrium of heterogeneous substances, Trans. Conn. Acad., 3: 108-248, 343-524, reprinted in The Collected Works of J. Willard Gibbs, Ph.D, LL. D., edited by W.R. Longley, R.G. Van Name, Longmans, Green & Co., New York, 1928, volume 1, pages 55-353, particularly pages 144-150.
  5. ^ Boltzmann, L.（1896/1964）. Lectures on Gas Theory, translated by S.G. Brush, University of California Press, Berkeley, p. 143.
  6. ^ Chapman, S., Cowling, T.G.（1939/1970）. The Mathematical Theory of Non-uniform gases. An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases, third edition 1970, Cambridge University Press, London, Section 4.14, pp. 75–78.
  7. ^ Coombes, C.A., Laue, H.（1985）. A paradox concerning the temperature distribution of a gas in a gravitational field, Am. J. Phys., 53: 272–273.
  8. ^ ter Haar, D., Wergeland, H.（1966）. Elements of Thermodynamics, Addison-Wesley Publishing, Reading MA, pp. 127–130.
  9. ^ Bailyn, M.（1994）. A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3, pages 254-256.
  10. ^ Román, F.L., White, J.A., Velasco, S.（1995）. Microcanonical single-particle distributions for an ideal gas in a gravitational field, Eur. J. Phys., 16: 83–90.
  11. ^ Velasco, S., Román, F.L., White, J.A.（1996）. On a paradox concerning the temperature distribution of an ideal gas in a gravitational field, Eur. J. Phys., 17: 43–44.
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