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概述

什麼叫熱力學溫度?熱力學溫度與攝氏溫度的關係熱力學溫度,又叫熱力學標溫,符號T,單位K(開爾文,簡稱開)。早在1787年法國物理學家查理(J.Charles)就發現,在壓力一定時,溫度每升高1℃,一定……

什麼叫熱力學溫度?熱力學溫度與攝氏溫度的關係

熱力學溫度,又叫熱力學標溫,符號T,單位K(開爾文,簡稱開)。 早在1787年法國物理學家查理(J.Charles)就發現,在壓力一定時,溫度每升高1℃,一定量氣體的體積的增加值(膨脹率)是一個定值,體積膨脹率與溫度呈線性關係。國際實用溫標是以國際上所通過的一系列純物質的固定點(如平衡氫三相點、平衡氫沸點、氧三相點、水三相點、錫凝固點等)作為基準用於標定規定的基準溫度計(如鉑電阻溫度計和鉑-10%銠/鉑熱電偶等)並給出相應的內插公式用於測定溫度。
熱力學溫度介紹
  國際單位制(SI)的7個基本量之一,熱力學溫標的標度,符號為T。根據熱力學原理得出,測量熱力學溫度,採用國際實用溫標。   熱力學溫度舊稱絕對溫度(absolute temperature)。   單位是“開爾文”,英文是“Kelvin”簡稱“開”,國際代號“K”。開爾文是為了紀念英國物理學家Lord Kelvin而命名 的。   以絕對零度(0K)為最低溫度,規定水的三相點的溫度為 273.16K,開定義為水三相點熱力學溫度的1/273.16。   攝氏度為表示攝氏溫度時代替開的一個專門名稱。而水的三相點溫度為0.01攝氏度。
因此熱力學溫度T與人們慣用的攝氏溫度t的關係是:
T(K)=273.15+t(℃)。   
規定熱力學溫度的單位開(K)與攝氏溫度的單位攝氏度(℃)的平均值完全相同。所以△T K = △T ℃   在表示溫度差和溫度間隔時,用K和用℃的值相同。所以很多人經常會寫1K=1℃ ,這是絕對錯誤的示範!

熱力學溫度本質
  工程熱力學中提到的絕對溫度,都是絕對溫度零度以上的正絕對溫度。但是,在20世紀50年代以後,在核磁共振和激光效應的研究,發現核自旋系統和激光系統中,粒子只具有基態和激發態兩種能量形態。在正絕對溫度條件下,激發態的粒子數多於基態的粒子數。但是,在核自旋系統和激光系統中則相反,基態的粒子數卻超過了激發態的粒子數。根據玻爾茲曼的粒子分佈函數表示式,如果基態粒子(原子或分子)數大於激發態的粒子數,則絕對溫度應該為負值,即能夠出現負的絕對溫度。   這是由於根據玻爾茲曼的粒子分佈函數表達式,當絕對溫度高於無窮大時,才能實現激發態粒子數超過基態的粒子數,才能出現負絕對溫度。也就是說,負絕對溫度系統的能量大於無窮大絕對溫度的能量,導致負絕對溫度實際上高於正絕對溫度。   經典熱力學中的溫度沒有最高溫度的概念,只有理論最低溫度“絕對零度”。熱力學第三定律指出,“絕對零度”是無法通過有限次步驟達到的。在統計熱力學中,溫度被賦予了新的物理概念——描述體系內能隨體系混亂度(即熵)變化率的強度性質熱力學量。由此開創了“熱力學負溫度區”的全新理論領域。通常我們生存的環境和研究的體系都是擁有無限量子態的體系,在這類體系中,內能總是隨混亂度的增加而增加,因而是不存在負熱力學溫度的。而少數擁有有限量子態的體系,如激光發生晶體,當持續提高體系內能,直到體系混亂度已經不隨內能變化而變化的時候,就達到了無窮大溫度,此時再進一步提高體系內能,即達到所謂“粒子布居反轉”的狀態下,內能是隨混亂度的減少而增加的,因而此時的熱力學溫度為負值!但是這裡的負溫度和正溫度之間不存在經典的代數關係,負溫度反而是比正溫度更高的一個溫度!經過量子統計力學擴充的溫標概念為:無限量子態體系:正絕對零度<正溫度<正無窮大溫度,有限量子態體系:正絕對零度<正溫度<正無窮大溫度=負無窮大溫度<負溫度<負絕對零度。正、負絕對零度分別是有限量子態體系熱力學溫度的下限和上限,均不可通過有限次步驟達到。
熱力學溫度由來
  熱力學溫度,又叫熱力學標溫,符號T,單位K(開爾文,簡稱開)。   早在1787年法國物理學家查理(J.Charles)就發現,在壓力一定時,溫度每升高1℃,一定量氣體的體積的增加值(膨脹率)是一個定值,體積膨脹率與溫度呈線性關係。起初的實驗得出該定值為氣體在0℃時的體積的1/269,後來經許多人歷經幾十年的實驗修正,其中特別是1802年法國人蓋·呂薩克(J.L.Gay-Lussac)的工作,最後確定該值1/273.15。將上述氣體體積與溫度的關係用公式來表示,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/℃時的氣體體積。若定義t+273.15≡T(於是0℃+273.15=T0),上述關係就可以用形式更簡單的公式來表達:V/T=V0/T0,進一步看,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,氣體的體積V與用T為溫標表示的溫度成反比。這叫做查理-蓋·呂薩克定律。事實上這種關係只適用於理想氣體。為此,人們起先把T稱為理想氣體溫度(溫標),又叫絕對溫度(溫標)。在熱力學形成后,發現該溫標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到,便改稱熱力學溫度(溫標),並用Kelvin第一個字母K為其單位。   物體的溫度是構成物體的大量微粒運動(熱運動)的激烈程度的宏觀體現。例如由單原子分子構成的氣體的大量分子的平均動能Ek與它的溫度T的關係經統計熱力學理論推導為:   E(—)k=3/2kT   其中k=1.391×10-23J/K,被稱為玻爾茲曼(Boltzmann)常量,等於氣體常量R與阿伏加德羅常量N0之比。


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