热平衡

热平衡（thermal equilibrium ），指同外界接触的物体，其内部温度各处均匀且等于外界温度的状况。

倘若组成单个系统的各部分之间没有热量的传递，且与外界也没有热量的传递，则系统处于热平衡。这时系统内各部分温度相等且等于外界温度。

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。

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、熵[shāng]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。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。

。先找出系统吸收热量有哪些途径，再定量分析；然后找出系统放出热量有哪些途径，定量分析；最后利用系统热平衡

的公式求解系统通过某一途径吸收或放出的热量。热平衡计算通常在传热传质、制冷供暖、锅炉计算等需要热工分析的领域都有广泛使用。

1．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，冰开始融化。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，可乐的温度与室温相同了，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。2．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。3．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。