熱平衡 〈Thermodynamic Equilibrium〉

熱平衡（Thermodynamic Equilibrium）
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

一個系統達到熱平衡(Thermodynamic equilibrium)即表示，其壓力、溫度、體積等巨觀的物理性質都不會隨時間而改變，但粒子與粒子之間仍存在能量交換。舉例來說，一個理想的氣體系統達熱平衡，其溫度即維持恆定，但粒子速率分佈函數遵守馬克士威分子速率分佈，並非每一個粒子速率都相同。而兩個互相處於平衡狀態的系統，兩者各自處於平衡狀態且兩者在可以交換熱量的情況下，仍然保持平衡狀態。

因此，熱平衡是熱力學系統之間一種重要的關係。有關熱平衡的定律雖然提出較晚，但如第一﹑第二定律一樣也是熱力學中重要的基本實驗定律﹐且更為基本，所以稱它為熱力學第零定律（Zeroth law of thermodynamics）。熱力學第零定律其表述為：『若兩個熱力學系統均與第三個系統處於熱平衡狀態，此三個系統也必互相處於熱平衡』。

在熱力學相關變數的函數空間之中，固定溫度的部分會成為一個面（P-V圖），該恆溫面的維度是熱力學變量的總數減一（例如對於有三個熱力學變量 P、V、n 的理想氣體，其恆溫面是二維面）。以理想氣體為例，若兩團氣體是處於熱平衡，則：

•Pi 是第 i 個系統的壓力
•Vi 是第 i 個系統的體積
•Ni 是第 i 個系統的數量（莫爾數或者原子數目）

或表示為PV / N = RT，R 是一個常數而溫度T 可以由此定義。經定義後，這些系統可用作溫度的標準，用來校準其他系統。

參考資料：
1. Thermodynamic equilibrium. http://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamic_equilibrium
2. Zeroth law of thermodynamics. http://en.wikipedia.org/wiki/Zeroth_law_of_thermodynamics