熱力學(xué)溫度介紹
熱力學(xué)溫標(biāo)是由威廉·湯姆森,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(hào)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(hào)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)溫度舊稱溫度(absolute temperature)。單位是“開爾文”,英文是“Kelvin”簡稱“開”,國際代號(hào)“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。以零度(0K)為溫度,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(℃)的平均值相同。所以
K =
℃。在表示溫度差和溫度間隔時(shí),用K和用℃的值相同。
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(duì)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”。[1]
熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度與攝氏度換算
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“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℃
百科x混知:圖解攝氏溫標(biāo)
熱力學(xué)溫度本質(zhì)
經(jīng)典熱力學(xué)中的溫度沒有極限高溫度的概念,只有理論溫度“零度”。熱力學(xué)第三定律指出,“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:無子態(tài)體系:正零度<正溫度<正無窮大溫度,有子態(tài)體系:正零度<正溫度<正無窮大溫度=負(fù)無窮大溫度<負(fù)溫度<負(fù)零度。正、負(fù)零度分別是有子態(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。
熱力學(xué)溫度由來
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。[2]
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)論證了零度不可達(dá)到,便改稱熱力學(xué)溫度(溫標(biāo)),并用Kelvin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)。
熱力學(xué)溫度測定方法
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(包括光譜輻射溫度計(jì)和全輻射溫度計(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)。[3]
熱力學(xué)溫度負(fù)熱力學(xué)溫度
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(jí))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.[4]