普通物理教程 热学杨远贵 淮北师范大学§1.2 热力学系统的平衡态§1.2.1 热力学系统热力学所研究的对象称为热力学系统(简称系 统system). 与系统存在密切联系的系统以外的部分称为外 界或媒质（medium） （这种联系可理解为存在作功、热量传递和粒 子数交换）热力学和力学的区别（1）宏观描述方法不同o若把位置、时间、质量及这三者的组合（如速 度、动量、角速度、角动量等）中的某几个独 立参数称为物体的力学坐标.利用力学坐标可 描述物体任一时刻的整体的运动状态o热力学的注意力指向系统内部，把与系统内部 状态有关的宏观物理量（诸如压强、体积、温 度等）称为热力学的参量，也称热力学坐标（2）目的不同o经典力学的目的就在于找出与牛顿定律相一致 的、存在于各力学坐标之间的一般关系o热力学的目的就是要求出与热力学各个基本定 律相一致的,存在于各热力学参量间的一般关系 热物理学中一般不考虑系统作为一个整体的 宏观的机械运动.若系统在作整体运动，则常把 坐标系建立在运动的物体上例如对于在作旋 转运动的系统，其坐标系取在旋转轴上§1.2.2 平衡态与非平衡态o系统的状态由系统的热力学参量（压强、 温度等）来描述。
o一般它隐含着这样的假定：系统的各个部 分的压强与温度都是处处相等的•隔板刚抽走的瞬间系统处于非平衡态 •但经过并不很长的时间，容器中的气体压强 趋于均匀，且不随时间变化，它已处于平衡态 例1：自由膨胀实验o对平衡态的定义：在不受外界条件影响下 ，经过足够长时间后系统必将达到一个宏 观上看来不随时间变化的状态，这种状态 称为平衡态（equilibrium state）.o应注意，这里一定要加上“不受外界条件 影响”的限制例2：热传导实验o有热流不断地从沸水端流向冰水端，o开始时，杆中各点处的温度随时间变化；o经足够长时间，金属棒各处温度不再随时间变 化，但在水平方向，各点温度不相等o热流（单位时间流过的热量）虽然不随时间变 化，但它始终存在；o这种状态下的金属棒仍处于非平衡态o因为热流是由外界影响所致只要把热流切 断以排除外界影响，例如使金属棒不与沸水 接触，金属棒各处温度就要变化o我们把在有热流或粒子流情况下，各处宏观 状态均不随时间变化的状态称为稳恒态（ steady state），也称稳态或定（常）态（ stationaly state)o是否空间各处压强、粒子数密度等不均匀的 状态，就一定是非平衡态呢？未必。
重力场 中的等温大气处于平衡态o在静电场中的带电粒子气体达平衡态时其分 子数密度（或压强）沿电场方向是否处处相 等？o不能单纯把是否“宏观状态不随时间变化” 或是否“处处均匀一致”看作平衡态与非平 衡态的判别标准o正确的判别方法应该看是否存在热流与粒子 流因为热流和粒子流都是由系统的状态变 化或系统受到的外界影响引起的o在自然界中平衡是相对的、特殊的、局部的 与暂时的，不平衡才是绝对的、普遍的、全 局的和经常的o虽然非平衡现象千姿百态、丰富多彩，但也 复杂得多，无法精确地予以描述或解析平 衡态才是最简单的、最基本的§1.2.3 热力学平衡（thermodynamic equilibrium)o系统处于平衡态时应不存在热流与粒 子流o热流由系统内部温度不均匀而产生， 故可把温度处处相等看作是热学平衡 （thermal equilibrium）建立的标准 o热学平衡条件：即系统内部的温度处 处相等粒子流有两种o一种是宏观上能察觉到成群粒子定向移动的 粒子流这是由气体内部存在压强差异而使 粒子群受力不平衡所致o故气体不发生宏观流动的第一个条件是系统 内部各部分的受力应平衡力学平衡（ mechanical equilbrium）条件，即系统内部 各部分之间、系统与外界之间应达到力学平 衡。
在通常（例如在没有外场等）情况下，力学 平衡反映为压强处处相等o第二种粒子流，它不存在由于成群粒子定向运动 所导致的粒子宏观迁移.o例3：扩散现象（diffusion）如图所示氧气氧氮混合气氮气 对于非化学纯物质，仅有温度压强这两个参量不能 全部反映系统的宏观物征，还应加上化学组成这一 热力学参量，扩散就是因为空间各处化学组成不均 匀所致化学平衡条件o系统要建立平衡，还需满足化学平衡（ chemical equilobrium）条件o化学平衡条件是指：在无外场作用下系统 各部分的化学组成也应是处处相同的o只有在外界条件不变的情况下同时满足力 学、热学、化学平衡条件的系统，才不会 存在热流与粒子流，才能处于平衡态平衡态的性质处于平衡态的系统，可以用不含时间的宏观 坐标（即热力学参量）来描述它o只有处于平衡态的物理上均匀的系统，才可 能在以热力学参量为坐标轴的状态图（p-V 图、p-T图）上以一个确定的点表示它的状 态o处于非平衡态的系统无法用处处均匀的温度 T、压强P及化学组成来描述整个系统 。