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  • 热平衡

    热平衡,指一个处于任意平衡状态的系统,在没有宏观功的条件下,靠系统与外界直接相互作用以改变系统状态的方式称热接触(或热交换)。热平衡定律是热力学中的一个基本实验定律,其重要意义在于它是科学定义温度概念的基础,是用温度计测量温度的依据。动物机体在正常代谢过程中,不断产热和散热,作为恒温动物的哺乳动物和家禽,必须使散热量和产热量达到平衡,才能维持体温的相对恒定,保证机体各器官组织执行正常的生理机能。热平衡也是有条件的,只要物体之间有温差,热总是不平衡的。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 热平衡
    外文名: thermal equilibrium 表达式: Q放=Q吸
    应用学科: 机械工程 适用领域范围: 工业自动化仪表与系统

    目录

    两个系统间的热平衡/热平衡 编辑

    一个处于任意平衡状态的系统,在没有宏观功的条件下,靠系统与外界直接相互作用以改变系统状态的方式称热接触(或热交换)。两个热力学系统进行热接触时,系统原来的平衡状态一般都将发生变化;经过足够长的时间之后,系统的状态不再发生变化;这时可以认为两个系统处于热平衡。如果两个系统热接触时,状态没有发生变化,则说明两个系统已是互为热平衡的。可以认为互为热平衡的两个系统的冷热程度相同。

    三个系统间的热平衡/热平衡 编辑

    若有A、B、C三个处于任意确定的平衡态的系统,而系统A和系统B是互相绝热的。令A和 B同时与系统C相互热接触,经过足够长的时间后,A和B都将与C达到热平衡。这时使A和B不再绝热而相互热接触,实验证明,A和B的状态都不发生变化,即A和B也是处于热平衡的。此实验事实说明,如果两个热力学系统各自与第三个热力学系统处于热平衡,则它们彼此也必处于热平衡。这一实验结论叫做热平衡的传递性,或叫做热平衡定律。

    热平衡定律/热平衡 编辑

    热平衡定律是热力学中的一个基本实验定律,其重要意义在于它是科学定义温度概念的基础,是用温度计测量温度的依据。在热力学中,温度、内能、熵是三个基本的状态函数,内能是由热力学第一定律确定的;熵是由热力学第二定律确定的;而温度是由热平衡定律确定的。所以热平衡定律如第一、第二定律一样也是热力学中的基本实验定律,其重要性不亚于热力学第一、第二定律,但由于人们是在充分认识了热力学第一、第二定律之后才看出此定律的重要性,故英国著名物理学家R.H.否勒称它为热力学第零定律。

    动物的产热量和散热量相等即为热平衡。动物机体在正常代谢过程中,不断产热和散热,作为恒温动物的哺乳动物和家禽,必须使散热量和产热量达到平衡,才能维持体温的相对恒定,保证机体各器官组织执行正常的生理机能。

    对于半导体等固体材料,热平衡就是指没有外加任何作用(例如电压)时的一种状态。半导体处于热平衡时,其中的载流子称为[热]平衡载流子,其浓度是一定的(尽管在微观上存在有不断产生与复合的过程);这时半导体内部可以存在电荷(空间电荷)和电场(内建电场),但不会产生电流。

    当半导体受到光照或者加有电压时,即变为非[热]平衡状态,其中的载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子浓度与外界作用有关,而且在外加作用去掉以后,非平衡载流子浓度将要随着时间而发生衰减(有一个所谓寿命时间),最后又将逐渐回复到热平衡状态。

    生活中的热平衡/热平衡 编辑

    1.热平衡是相对的

    在一杯可乐中放入一些冰块之后,可乐的温度开始下降,冰开始融化。这时可乐有热量传给冰,当可乐降温至0℃时,温度不再降低,冰也不再融化,这时它们之间没有热的传递,两者达到了热的平衡。冰吸收的热量等于可乐放出的热量。墙上挂着的温度计就是利用热平衡的原理读出当时室内温度的。

    上述可乐的热平衡没有考虑与周围空气及其他物体的关系。如果在温暖的室内,这杯可乐还要与外界空气发生热交换,因而冰可能还要融化。因此从更大的范围来说热是不平衡的。最终可能冰全化了,可乐的温度与室温相同了,在室内实现了热的平衡。当然还要考虑室内室外的热传递问题。

    总之,热平衡既可以局部地分析,也可以将系统扩大之后来分析。局部、短时间内可看作是平衡的,更大范围内、更长时间内可能是不平衡的。因而热平衡是暂时的、相对的。热平衡也是有条件的,只要物体之间有温差,热总是不平衡的。

    2.准静态的热平衡

    实际物质组成的系统都不能与外界完全隔绝热的传递,因而系统总会偏离平衡态。但平衡被某种干扰所破坏需要一定的时间,这个时间有长有短,其长短与条件有关。

    如人坐在一个铁凳上,铁凳的导热性很好,人体将有大量的热传递给凳子,最终达到热的平衡,需要较长的时间。而另一个坐在毛茸茸的沙发中的人就大不相同了,沙发的导热性差,它贴着人体的部分很快就与人体达到相同的温度,实现热平衡很快,因此保暖时需要很好的隔热材料,降温时需要很好的导热材料,都是为了减少这段时间。当然这种平衡也不是绝对的平衡,只是无限接近平衡态,我们把它称为准静态平衡。

    穿上很厚的多孔材料制的棉衣的人,保温效果极好的保温瓶,都是准静态平衡的实例。

    3.动态的热平衡

    当一个物体的热量大量流失的情况下,或者某物体大量获取热量的时候,我们还能不能保持物体的温度不变而处于热的平衡状态呢?

    事实上这种情况是存在的,我们只要向物体提供,或吸取等量的热量,就能保持其温度不变。

    例如一个工人突然走进高达50℃的高温火炉旁,热的辐射使他获得了大量的热量,但人必须维持37℃的体温。这时人体立即有一种反应,即大量出汗,通过水分的蒸发带走热量,将体温维持在37℃。这时他吸收的热量和放出的热量必然是相等的。这种热的平衡我们称为动态的热平衡。

    下面的表格中所列的就是一些动态热平衡的例子。

    事例

    动态平衡方式 结果

    电熨斗

    电热丝提供的热=熨斗向空间散发的热 维持一定的高温

    空调 器

    从室内吸收的热=冷凝器向室外排出的热 维持适宜的温度
    一个冬泳的人 向冷水中释放的热=体内反应产生的热 维持37℃的体温
    飞船再入大气层

    与大气摩擦产生的热=表面镀层汽化吸收的热

    内部保持适宜的温度

    地球 吸收太阳辐射得到的热=向太空辐射的热

    整体具有一定的温度

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