2月25日19時 《張朝陽的物理課》第三十一期開播。搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐視頻直播間 《張朝陽的物理課》帶你理解熱力學基本定律 - 趣味新聞網

2月25日19時，《張朝陽的物理課》第三十一期開播。搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐視頻直播間，他從熱力學第零定律齣發，引齣溫度的概念，推導內能與溫度的關係。接著講解熱力學第一定律，結閤理想氣體狀態方程，推導絕熱過程中壓強與體積的關係。還介紹瞭理想氣體卡諾循環過程，在壓強-體積相圖上繪製各段麯綫並詳細講解。最後，演示瞭基於以上內容的應用實例，通過理想氣體絕熱方程和狀態方程計算得到氣體中的聲速。

直播開場，張朝陽在小白闆上寫下“www.sohu.com”，他嚮網友解釋道，“2月25號，是我們24年前創立搜狐的日子。所以白天忙的不得瞭，物理課推遲到晚上7點。”有感於時事變化，他告誡網友，“一周以來，國際上發生瞭很多大事，但不管這個世界怎麼變，學習不能停。”而後，他繼續介紹今天的課程重點，“我們物理課學瞭三十多期，有時候需要迴來復習一下。今天要重新理解熱力學的基本定律。”

熱力學第零定律：熱平衡的傳遞性

張朝陽從熱力學第零定律說起。他介紹，將兩個物體接觸，它們可以有能量的交換，原來各自的狀態可能發生變化。經過足夠長的時間，不再有淨的能量交換，達到新的穩定狀態，也就是說，這兩個物體處於熱平衡瞭。現在考慮三個物體A，B，C，若物體A與B處於熱平衡，且物體A與C也處於熱平衡，實驗錶明，物體B與C也必然處於熱平衡。這種“熱平衡的傳遞性”就是熱力學第零定律。

他說，“互為熱平衡的物體必有一共同的物理性質，這個性質保證它們在熱接觸時達到熱平衡，可以把錶徵物體這一性質的量稱做溫度。這樣處於同一熱平衡狀態下的物體具有相同的溫度，不同的溫度代錶處於不同的熱平衡態。”

（張朝陽講解熱力學第零定律）

“不僅如此，實驗還發現，物體處在不同溫度時，其體積會發生變化，這樣就可以利用體積這一可直觀測量的狀態參量來錶徵溫度，這就是水銀溫度計的原理。”他詳細解釋說，人們把水的冰點定義為0度，水的沸點定義為100度，再利用物體熱脹冷縮的性質，將0度與100度的體積變化分為100等分，定義體積每增加一份就增加1度，從而完成瞭攝氏溫度的數值定義。當然，這隻是一種基於經驗的近似的處理方法。

“有瞭溫度的值，就可以定量地研究和描述物體各個參量與溫度的關係。”張朝陽邊寫邊說，實驗上發現，在固定的壓強下，理想氣體的體積與溫度呈綫性關係。雖然氣體不同時，對應的綫性係數也不同，但若將不同氣體的體積-溫度關係畫在一張圖上，這些直綫都會與t軸交於同一點，此時的t值為-273.15攝氏度，稱為絕對零度。

若以絕對零度代替水的冰點作為溫度的起始零點，而溫標間距保持不變，則相應的溫度稱為開爾文溫度，用T來錶示，單位縮寫為K。理想氣體的體積仍然與開爾文溫度T成綫性關係，但與攝氏溫度不同的是，當開爾文溫度T=0K時，不同理想氣體的體積也都取為0瞭。實驗還測定瞭固定體積時，氣體壓強p與溫度T之間的綫性關係，最終得到理想氣體的狀態方程是pV=NkT，其中N為理想氣體粒子數，k為玻爾茲曼常數。另外壓強p還可以由氣體粒子撞擊容器壁的微觀圖像描寫：

“將理想氣體的壓強錶達式與微觀圖像的壓強錶達式結閤起來，可以得到氣體粒子平均動能與溫度之間的關係。”他得齣第一個結論。

“從微觀上講，溫度錶徵瞭氣體粒子運動的劇烈程度。溫度越高，微觀粒子運動越劇烈，氣體越熱。”他還告訴網友，根據能量均分定理，以上公式錶明每個自由度上平均分配的能量是1/2 kT，假設在某溫度下理想氣體粒子可以激發的自由度總共為i，那麼理想氣體的總內能為U=i/2 NkT=1/(γ-1) NkT，其中γ是新引入的參量，其意義會在後麵的絕熱膨脹中體現齣來。

熱力學第一定律：能量守恒與轉換

接下來，張朝陽講解熱力學第一定律。他指齣，係統內能的變化，包含兩個方麵。一方麵，我們可以直觀地看到，係統體積變化導緻功的變化；另一方麵，高溫物體與低溫物體接觸時溫度會下降，係統內能也會減少，我們把這種非功方式傳遞的能量叫做熱量，用Q錶示。係統內能的增加量，等於其吸收的熱量 Q與外界對其做的功 W的總和，這就是熱力學第一定律。

他特彆說明，“ 這個符號錶示熱傳遞或做功是與具體過程有關的，並不是隻與係統的狀態有關。而內能U隻與係統的狀態有關，是狀態函數，與係統的具體變化過程無關，仍然用dU錶示。”

（張朝陽講解熱力學第一定律）

隨後，張朝陽利用熱力學第一定律和理想氣體狀態方程，研究絕熱過程中狀態參量的關係。他介紹說，絕熱過程是指係統變化時與外界無熱量交換，也就是 Q=0，那麼內能的增加就是外界對係統做的功，也等於負的係統對外界做的功。壓強為p，係統錶麵積為A，相應壓力為pA，此麵積嚮外移動dl的距離，那麼由熱力學第一定律可知，絕熱過程的內能變化為dU= W=-pAdl=-pdV，其中V是係統的體積，dV=Adl是係統體積的變化。

而由上一小節可知理想氣體內能與溫度的關係U=1/(γ-1) NkT，結閤理想氣體狀態方程pV=NkT，就可以得到內能與體積和壓強的關係U=1/(γ-1) pV。將它帶迴絕熱過程的熱力學第一定律公式，可得1/(γ-1)d(pV)=-pdV，解此微分方程，即可得到理想氣體絕熱方程：

其中C為常數，可由該過程中任意狀態下的壓強與體積確定。以上絕熱方程顯示瞭絕熱過程中壓強p與體積V的關係，其中γ大於零，所以當體積V增大時，壓強減小。

卡諾循環與相圖：高溫低溫兩熱源，等溫絕熱圍成圈

用來描述係統狀態的參量一般是壓強p，體積V和溫度T，確定瞭其中2個參量便可以由係統狀態方程得到餘下的參量，也就是說，實際隻需2個參量就可以確定係統的狀態。任選其中2個參量，分彆作為橫、縱坐標組成相圖，則相圖上的一個點代錶係統的一個狀態，而一條麯綫可以描述係統的變化過程。相圖可以清晰地展現卡諾循環過程。

張朝陽舉瞭個有趣的例子來描述卡諾循環。先取溫度為T1的理想氣體，放到帶有活塞的氣缸裏，將氣缸放入溫度同樣為T1的大湖裏，把理想氣體從深水區緩慢上浮到淺水區，理想氣體壓強減小體積膨脹，但因為一直泡在大湖裏，其溫度恒定為T1，這就是一個等溫膨脹過程。由理想氣體狀態方程pV=NkT，可以在相圖中畫齣對應的變化麯綫，標記為T1。

接著把理想氣體拿齣湖，並且不跟外界任何其他物體接觸，而隻用一個很尖的東西去抵住活塞提供壓力，這樣導熱就非常差，然後緩慢減小壓強使氣體繼續膨脹，直到溫度下降為T2為止。這個過程因為氣體與外界沒有熱交換，所以是絕熱膨脹過程，根據剛剛推導齣來的絕熱公式，γ大於1，壓強會隨體積的增大而下降，且比T1恒溫膨脹時下降得更快。反映到相圖上，絕熱膨脹過程就是右邊那條連接等溫綫T1與T2的麯綫。接著把溫度為T2的理想氣體放到另一個溫度為T2的湖裏，並往深處走使得壓強緩慢增大，對氣體進行溫度為T2的等溫壓縮，對應圖中T2的等溫麯綫。

他繼續推導說，最後一步，把氣體取齣湖進行絕熱壓縮，迴到最初狀態，這就實現一個完整的循環，該過程稱為卡諾循環。對應於相圖裏加粗的閉閤麯綫。由外界對理想氣體的做功公式 W=-pdV，可知閉閤圈中的麵積就是這個過程中理想氣體對外做的總的正功。由熱力學第二定律，還可以知道理想氣體總體吸收瞭外界的熱量。

（張朝陽介紹卡諾循環及其相圖）

作為熱力學的一個應用實例，張朝陽基於絕熱公式，再次推導瞭聲速，並強調用等溫過程是錯誤的且不能與實驗符閤，因為聲波在空氣中傳播時，空氣振動得很快，氣體來不及進行充分的熱交換，所以須按絕熱過程處理，纔更與實際接近，從而計算得到正確的聲速。

打造知識直播平台：搜狐視頻發力價值直播 吸引諸多科普播主入駐

截至目前，《張朝陽的物理課》已直播三十多期。張朝陽先是從經典物理學開始，科普瞭牛頓運動定律與能量動量守恒；講解機械振動與波動方程並計算空氣中的聲速，順便討論與此相關的理想氣體狀態方程和能量均分定理。爾後從經典物理的“兩朵烏雲”說起，嚮近現代物理過渡，包括由黑體輻射研究引齣的維恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗剋等係列公式；由電磁學和時空性質引發的相對論議題，如洛倫茲變換、尺縮鍾慢、質能關係、粒子衰變等。

此後逐步進入量子力學領域，從基礎的薛定諤方程、算符對易關係、不確定性原理等理論內容，到無限深勢阱、氫原子波函數、原子能級與簡並等基礎模型，再到諧振子量子化、分子振轉光譜、自由度的凍結、氣體定容比熱的溫度階梯等更加具體實用的案例。內容豐富、覆蓋廣泛，理論公式由淺入深、繁簡交融，研究對象由小到大、由少到多，從單電子原子到多電子原子、多原子分子，再到由眾多粒子組成的宏觀物質，實際上已經逐漸進入到統計物理學領域。接下來的玻爾茲曼分布、麥剋斯韋速度分布律等，也就順勢引入，順理成章。

從近三十期的物理課可以看齣，《張朝陽的物理課》的直播風格獨樹一幟――通過觀察日常生活現象、用網友比較熟悉的話題來提升興趣，再以公式推導的方式解釋其背後的物理原理，“透過現象看本質”，進而反過來解決生活中的類似問題。

張朝陽認為研究自然界是特彆有意思的事情，他希望物理課的受眾能保有好奇心，“在好奇心驅使下，瞭解自然界的奧秘，瞭解我們在這個世界生存的道理”。該課程於每周周五、周日12時在搜狐視頻直播。同時，網友可以在搜狐視頻“關注流”中搜索“張朝陽”，觀看往期完整視頻迴放。

除《張朝陽的物理課》外，搜狐視頻也邀請各專業領域頭部播主入駐，直播科普知識，傳遞價值。北京交通大學理學院教師陳徵博士玩起瞭“奇趣的科學實驗”，走進“光的波粒二象性”；康奈爾大學物理化學博士包坤，化身“包大人玩科學”，教普通人看懂2021年諾貝爾奬；還有天體物理博士劉博洋科普“日全食是怎麼産生的”，理論物理博士周思益也開通“弦論世界”直播課等。未來還將有更多知識播主入駐，一起互動玩轉科學。

文/金仁甫

編輯/範輝