第5章 热力学第零定律

热力学，其实就是微观粒子运动力学。第零定律，又称“热平衡定律”：若两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态，则此两个系统也必处于热平衡。“热平衡”是指物体各部分之间以及物体与外界之间没有热量交换，即物体各部分温度相等且等于外界温度时，则称此系统是处于热平衡状态。

热力学第零定律首次说明了温度的标的到底是什么，以及温度的测量方法。“温度”是人类最早接触到的自然现象之一。但是由于早期知识和科学的缺乏，对温度的认识都是一些主观的设想。直到十九世纪中叶蒸气机的广泛使用，才促使人们对热现象进行深入的研究，推动了热学实验的发展，走上了科学的道路。为了定量的解释实验结果，最初一些学者根据片面的实验事实，认为“热”是一种没有质量的流质，叫热质；但是热质说不能解释摸擦生热、撞击生热等现象，于是另一些学者认为“热”不是一种流质，而是物质运动的表现；1842年，德国的医生迈尔提出能量守恒的学说，他认为热是一种能量；后来焦尔用了几十年的时间，做了许多实验，测定热功当量，得到了完全一致的结果，从而为能量守恒和转化定律奠定了坚实的基础。但是直到热力学第一（1850年）、第二（1851年）、第三（1905年）定律被发现之后，“温度”做为三大定律的基础，却仍然是一个悬而未决的概念，人们还是不知道温度对应的物理量（客观现象）到底是什么？与能量是怎样的关系？终于，在1931年英国物理学家拉尔夫·福勒才把两个热力学系统的热平衡现象正式表述为热力学定律。

物理学中有一个基本的观点，就是对一个物理量的定义，最好就是给出它的测量方法。热平衡定律恰恰就是给出了测量一个系统热力学状态的定量方法。比如我们要测量一个系统A的热力学状态，把温度计和A接触在一起，当温度计的指数不再变化时，系统A与温度计达到热平衡，温度计的数字也就是系统A的温度，即定量的热力学状态。所以是热平衡定律，给出了温度的测量方法和明确定义：两个系统处于热平衡状态时，其内部微观粒子的动能标量。热平衡定律虽然比热力学第一、第二、第三定律发现的更晚，但它表述的内容比三大定律更基础，所以称为是第零定律。