2020-04-08 09:46:07

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热平衡,指同一物体内或在可相互进行热交换的几个物体间,既不发生热的迁移,也不发生物质的相变而具有相同温度的状态。

基本信息

  • 中文名

    热平衡

  • 外文名

    thermalequilibrium

  • 应用学科

    机械工程

  • 表达式

    Q放=Q吸

  • 适用领域范围

    工业自动化仪表与系统

折叠 编辑本段 科技名词定义

中文名称:热平衡

英文名称:thermalequilibrium

定义:同一物体内或在可相互进行热交换的几个物体间,既不发生热的迁移,也不发生物质的相变而具有相同温度的状态。

所属学科:机械工程(一级学科);工业自动化仪表与系统(二级学科);温度测量仪表-温度测量仪表一般名词(三级学科)

折叠 编辑本段 简述

热平衡热平衡

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。

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。

折叠 编辑本段 定律

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。

折叠 编辑本段 举例

热平衡热平衡

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。

折叠 编辑本段 方程

热平衡热平衡

热平衡方程(热交换定律)thermalbalanceequation

温度不同的两个或几个系统之间发生热量的传递,直到系统的温度相等。在热量交换过程中,遵从能的转化和守恒定律。从高温物体向低温物体传递的热量,实际上就是内能的转移,高温物体内能的减少量就等于低温物体内能的增加量。

其平衡方程式为:Q放=Q吸(Q表示热量)

此方程只适用于绝热系统内的热交换过程,即无热量的损失;在交换过程中无热和功转变问题;而且在初、末状态都必须达到平衡态。系统放热,一般是由于温度降低、凝固、液化及燃料燃烧等过程。而吸热则是由于温度升高,熔解及汽化过程而引起的。

折叠 编辑本段 状态

热平衡热平衡

在没有外界影响的条件下,热力学系统的宏观性质不随时间变化的状态。所谓外界影响,是指外界对系统作功或传热。不能把平衡态简单理解为不随时间变化的状态。例如,一金属杆两端分别始终与沸水和冰水接触,热量不断从一端传往另一端,则杆各处温度虽然不同却并不随时间变化,但此杆并不处于平衡态。与单纯静止的力学平衡不同,热平衡态是热动平衡,系统中的分子仍在作无规则热运动,只是平均效果不随时间改变。

实验表明,在没有外界影响的条件下,一个热力学系统经足够长时间后必将趋于热平衡态。两个或多个热力学系统相互接触后,只要时间足够长又没有外界影响,也必将趋于共同的平衡态。这是引入热平衡态概念的实验依据。两个热力学系统若分别与第三个系统处于热平衡,则它们彼此也必处于热平衡。这个实验规律称为热力学第零定律,表明热平衡具有传递性,热平衡态是科学定义温度概念的基础,也是用温度计测量温度的依据。

热平衡状态是一个理想化的概念,是在一定条件下对实际情况的抽象和近似。对热平衡状态的研究具有重要的理论和实践意义,已经成为热力学的基本内容。

折叠 编辑本段 生活中热平衡

折叠 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,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。

折叠 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。

折叠 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
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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