九、 热学与分子动理论 (Thermodynamics)

（一）温度与物态变化

1. 温度：表示分子平均动能的大小。热力学温度（K）与摄氏温度（$^\circ\text{C}$）换算：$T = t + 273.15$。绝对零度 $0\text{ K} = -273.15^\circ\text{C}$。华氏温度 $F = \frac{9}{5}t + 32$。
   • 固体加热发光现象：加热固体温度升高时会发出辐射光，起初发红光，温度继续升高依次变为橙色、黄色、白色，温度极高时变成蓝色。
2. 分子动理论内容：
   • 物质由大量分子（原子）组成（分子直径数量级为 $10^{-10}\text{ m} \sim r_0$）。
   • 分子永不停息地作无规则热运动（温度越高，热运动越剧烈）。
   • 分子间存在间隙。
   • 分子间同时存在引力和斥力。当分子间距 $r = r_0$ 时，引力等于斥力，分子力合力为零。当 $r < r_0$ 时表现为斥力；当 $r > r_0$ 时表现为引力；当 $r > 10r_0$ 时分子力可忽略不计。
3. 内能与热量：改变内能的方法有做功和热传递（传导、对流、辐射）。
   • 热量计算公式：$Q = cm\Delta t$ （$c$ 称为比热容，是物质的特性）。水的比热容 $c_{\text{水}} = 4.2 \times 10^3 \text{ J}/(\text{kg}\cdot^\circ\text{C})$。
   • 相变热：$Q = \lambda m$ （$\lambda$ 为熔解热）或 $Q = Lm$ （$L$ 为汽化热）。
   • 混合物热平衡方程：放热等于吸热，$c_1m_1(t_1 - t_0) + c_2m_2(t_2 - t_0) = 0$。
   • 电热转化结合：$Q = W = I^2Rt$。
   • 牛顿冷却定律：物体降温速度与物体和环境的温差成正比。

（二）热力学四大定律与热机

• 第零定律：系统内若达热平衡则温度相同。有温差时才发生热传递。
• 第一定律：系统内能增量满足 $\Delta E = W + Q$ （能量转化与守恒）。
• 第二定律：热传递和能量流动的方向性具有不可逆性。
• 第三定律：绝对零度不可达到。热机效率 $\eta = \frac{W_{\text{有用}}}{Q_{\text{放}}} = \frac{F\cdot s}{mq}$ 总是小于 $100\%$。
• 永动机：无损耗完成能量转化的第一类永动机（不消耗能量却源源不断做功）违反热力学第一定律，无法实现。