大学物理：气体的状态参量及其定义

在一定条件下，物体的状态可以保持不变。为了描述物体的状态。我们常常采用一些物理量来表示物体的有关特性，如体积（Volume）、温度（Temperature）、压强（Pressure）、浓度等。这些描述状态的变量，叫作状态参量（State parameters）。对于一定质量的气体（质量M和摩尔质量μ），它的状态一般可用下列三个量来表示：①气体所占的体积V；②压强p；③温度T或t。这三个表示气体状态的量叫作气体的状态参量。为了详尽地描述物体的状态，有时还需知道其他参量。如果系统是由多种物质组成的，那就必须知道它们的浓度；如果物体处在电场或磁场中，那就必须知道电场强度或磁场强度。一般地说，我们常用几何参量、力学参量、化学参量和电磁参量等四类参量来描述系统的状态。究竟用哪几个参量才能完全地描述系统的状态，这是由系统本身的性质决定的。

在气体的上述三个状态参量中，气体的体积是气体分子所能达到的空间，与气体分子本身体积的总和是完全不同的。气体体积的单位用m3。气体的压强是气体作用在容器壁单位面积上的指向器壁的垂直作用力，是气体分子对器壁碰撞的宏观表现。压强的单位用Pa，即N·m-2。过去常用atm（标准大气压）作为压强的单位，1atm=1.013×105Pa。

温度的概念比较复杂，它是建立在热平衡基础上的。现在我们再来做一个实验，将系统A和系统B分别与热源C接触，经过足够长的时间后，A和B分别与C达到了热平衡，如图8—4（a）所示。然后再将A和B相接触，这时我们观察不到A和B的状态发生任何变化，如图8—4（b）所示，这表明A与B也已处于热平衡。这一实验规律称为热力学第零定律（Zero Law of Thermodynamics），表述为：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡，则这两个系统彼此也必处于热平衡。热力学第零定律表明：处在同一热平衡状态下的所有热力学系统都具有一个共同的宏观特征，这一特征可以由这些系统的状态参量来描述，这个状态参量被定义为温度。因此，温度是表征系统热平衡时宏观状态的物理量。温度的本质与物质分子运动密切有关，温度的不同反映物质内部分子运动剧烈程度的不同。

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图8—4　热力学第零定律

在宏观上，简单来说，我们用温度表示物体的冷热程度，并规定较热的物体有较高的温度。温度数值的标定方法称为温标（temperature scale），常用的方法有两种：一是热力学温标（Thermodynamic temperature scale），也叫开尔文温标，用T表示，单位是K；另一个是摄氏温标t，单位是℃。热力学温度T和摄氏温度t的关系是：t=T-273.15。

自然界中的物体，以及物体各部分的温度都是不同的，从而形成了不同的热场。我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，只能不断向周围发射和吸收红外辐射。热成像，或叫红外热成像，就是通过热成像系统采集物体（如人体）红外辐射，并转换为数字信号，形成伪色彩热图。热成像，让我们“看到”物品发出的热变的可能。颜色显示的是温度的变化。温标从白色（最热）到红色、绿色、紫色和黑色（最冷）等。