熱力學(xué)溫度介紹

熱力學(xué)溫標(biāo)是由威廉·湯姆森，第一代開爾文男爵于1848年利用熱力學(xué)第二定律的推論卡諾定理引入的。它是一個(gè)純理論上的溫標(biāo)，因?yàn)樗c測溫物質(zhì)的屬性無關(guān)。符號T，單位K（開爾文，簡稱開）。國際單位制（SI）的7個(gè)基本量之一，熱力學(xué)溫標(biāo)的標(biāo)度，符號為T。根據(jù)熱力學(xué)原理得出，測量熱力學(xué)溫度，采用國際實(shí)用溫標(biāo)。熱力學(xué)溫度舊稱絕對溫度（absolute temperature）。單位是“開爾文”，英文是“Kelvin”簡稱“開”，國際代號“K”,但不加“°”來表示溫度。開爾文是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家Lord Kelvin而命名的。以絕對零度（0K）為最低溫度，規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為 273.16K，開定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。

攝氏度為表示攝氏溫度時(shí)代替開的一個(gè)專門名稱。而水的三相點(diǎn)溫度為0.01攝氏度。因此熱力學(xué)溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關(guān)系是：T（K）=273.15 t(℃)。規(guī)定熱力學(xué)溫度的單位開（K)與攝氏溫度的單位攝氏度（℃)的平均值完全相同。所以

2018年11月16日，國際計(jì)量大會(huì)通過決議，1開爾文定義為“對應(yīng)玻爾茲曼常數(shù)為1.380649×10-23J·K-1

(1.380649×10-23kg·m2·s-2·K-1)時(shí)的熱力學(xué)溫度”。

表達(dá)式為：T=t 273.15℃

T是熱力學(xué)溫標(biāo) t是攝氏溫標(biāo)

它的由來是這樣的：

一定質(zhì)量的氣體 在體積不變的情況下 溫度每升高（或降低）1℃ 增加（或減少）的壓強(qiáng)值等于它在0℃時(shí)壓強(qiáng)的1/273 用公式表示為

p=p0(1 t/273)

其中p0是0℃時(shí)氣體的壓強(qiáng)

后來開爾文引入了“絕對零度”的概念 即溫度到達(dá)0K 即-273℃ 氣體便停止了一切的運(yùn)動(dòng)

后來它被推廣到了T=t 273.15℃

經(jīng)典熱力學(xué)中的溫度沒有極限高溫度的概念，只有理論最低溫度“絕對零度”。熱力學(xué)第三定律指出，“絕對零度”是無法通過有限次步驟達(dá)到的。在統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)中，溫度被賦予了新的物理概念——描述體系內(nèi)能隨體系混亂度（即熵）變化率的強(qiáng)度性質(zhì)熱力學(xué)量。由此開創(chuàng)了“熱力學(xué)負(fù)溫度區(qū)”的全新理論領(lǐng)域。通常我們生存的環(huán)境和研究的體系都是擁有無限量子態(tài)的體系，在這類體系中，內(nèi)能總是隨混亂度的增加而增加，因而是不存在負(fù)熱力學(xué)溫度的。而少數(shù)擁有有限量子態(tài)的體系，如激光發(fā)生晶體，當(dāng)持續(xù)提高體系內(nèi)能，直到體系混亂度已經(jīng)不隨內(nèi)能變化而變化的時(shí)候，就達(dá)到了無窮大溫度，此時(shí)再進(jìn)一步提高體系內(nèi)能，即達(dá)到所謂“粒子布居反轉(zhuǎn)”的狀態(tài)下，內(nèi)能是隨混亂度的減少而增加的，因而此時(shí)的熱力學(xué)溫度為負(fù)值！但是這里的負(fù)溫度和正溫度之間不存在經(jīng)典的代數(shù)關(guān)系，負(fù)溫度反而是比正溫度更高的一個(gè)溫度！經(jīng)過量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)擴(kuò)充的溫標(biāo)概念為：無限量子態(tài)體系：正絕對零度<正溫度<正無窮大溫度，有限量子態(tài)體系：正絕對零度<正溫度<正無窮大溫度=負(fù)無窮大溫度<負(fù)溫度<負(fù)絕對零度。正、負(fù)絕對零度分別是有限量子態(tài)體系熱力學(xué)溫度的下限和上限，均不可通過有限次步驟達(dá)到。

開爾文是因英國科學(xué)家開爾文姓氏而得名的熱力學(xué)溫度單位。1848年，英國科學(xué)家威廉·湯姆遜首先提出“熱力學(xué)溫度”理論，并很快得到國際上的承認(rèn)。1854年，威廉·湯姆遜提出，只要選定一個(gè)固定點(diǎn)，就能確定熱力學(xué)溫度的單位。

早在1787年法國物理學(xué)家查理（J.Charles）就發(fā)現(xiàn)，在壓力一定時(shí)，溫度每升高1℃，一定量氣體的體積的增加值（膨脹率）是一個(gè)定值，體積膨脹量與溫度呈線性關(guān)系。起初的實(shí)驗(yàn)得出該定值為氣體在0℃時(shí)的體積的1/269，后來經(jīng)許多人歷經(jīng)幾十年的實(shí)驗(yàn)修正，其中特別是1802年法國人蓋·呂薩克（J.L.Gay-Lussac）的工作，最后確定該值1/273.15。將上述氣體體積與溫度的關(guān)系用公式來表示，形式如下：

V=V₀（1 t/273.15）=V₀（t 273.15）/273.15

式中V是攝氏溫度為t/℃時(shí)的氣體體積。若定義t 273.15≡T（于是0℃ 273.15=T0），上述關(guān)系就可以用形式更簡單的公式來表達(dá)：V/T=V₀/T₀，進(jìn)一步看，V₁/T₁=V₀/T₀，V₂/T₂=V₀/T₀，自然有V₁/T₁=V₂/T₂，即在任何溫度下一定量的氣體，在壓力一定時(shí)，氣體的體積V與用T為溫標(biāo)表示的溫度成正比。這叫做查理-蓋·呂薩克定律。事實(shí)上這種關(guān)系只適用于理想氣體。為此，人們起先把T稱為理想氣體溫度（溫標(biāo)），又叫絕對溫度（溫標(biāo)）。在熱力學(xué)形成后，發(fā)現(xiàn)該溫標(biāo)有更深刻的物理意義，特別是克勞修斯（Claosius）和開爾文（Kelvin）論證了絕對零度不可達(dá)到，便改稱熱力學(xué)溫度（溫標(biāo)），并用Kelvin第一個(gè)字母K為其單位。物體的溫度是構(gòu)成物體的大量微粒運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）的激烈程度的宏觀體現(xiàn)。

當(dāng)前，主要的熱力學(xué)溫度測定方法有：定壓氣體溫度計(jì)法、氣體聲學(xué)溫度計(jì)法、輻射溫度計(jì)法（包括光譜福射溫度計(jì)和全福射溫度計(jì)）、介電常數(shù)溫度計(jì)法、噪聲溫度計(jì)法等，不同原理的熱力學(xué)溫度測定方法受自身?xiàng)l件的限制，適用于不同的溫度區(qū)間，與氣體折射率基準(zhǔn)溫度計(jì)測溫區(qū)間相重合的主要是聲學(xué)溫度計(jì)。

從熱力學(xué)基本關(guān)系式((e)S/(e)U)v=1/T和Boltzmann分布式N2/N1=exp(-ε/kT)說明了熱力學(xué)溫度不僅可以有正值還可以存在負(fù)值.以核自旋平衡體系為實(shí)例指出了負(fù)溫度存在的必要條件:必須是一個(gè)能量(或能級)有上限的熱平衡體系,與環(huán)境絕熱隔離,且還需借助于一定的外力作用. 2100433B