熱力學溫度(開氏溫度)

熱力學溫度

開氏溫度一般指本詞條

熱力學溫度,又稱開爾文溫標、絕對溫標,簡稱開氏溫標,是國際單位制七個基本物理量之一,單位為開爾文,簡稱,(符號為K),其描述的是客觀世界真實的溫度,同時也是制定國際協定溫標的基礎,是一種標定、量化溫度的方法。

熱力學溫度又被稱為絕對溫度,是熱力學和統計物理中的重要參數之一。一般所說的絕對零度指的便是0K,對應零下273.15攝氏度。

基本介紹

  • 中文名:熱力學溫度
  • 外文名:thermodynamic temperature
  • 符號:T
  • 單位:開爾文
  • 提出者:威廉·湯姆遜
  • 絕對零度:理論最低溫度
介紹,熱力學溫度與攝氏度換算,本質,由來,測定方法,負熱力學溫度,

介紹

熱力學溫標是由威廉·湯姆森,第一代開爾文男爵於1848年利用熱力學第二定律的推論卡諾定理引入的。它是一個純理論上的溫標,因為它與測溫物質的屬性無關。符號T,單位K(開爾文,簡稱開)。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”,但不加“°”來表示溫度。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。
2018年11月16日,國際計量大會通過決議,1開爾文定義為“對應玻爾茲曼常數為1.380649×10-23J·K-1
(1.380649×10-23kg·m2·s-2·K-1)時的熱力學溫度”。

熱力學溫度與攝氏度換算

表達式為:T=t+273.15℃
T是熱力學溫標 t是攝氏溫標
它的由來是這樣的:
一定質量的氣體 在體積不變的情況下 溫度每升高(或降低)1℃ 增加(或減少)的壓強值等於它在0℃時壓強的1/273 用公式表示為
p=p0(1+t/273)
其中p0是0℃時氣體的壓強
後來開爾文引入了“絕對零度”的概念 即溫度到達0K 即-273℃ 氣體便停止了一切的運動
後來它被推廣到了T=t+273.15℃

本質

經典熱力學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,如雷射發生晶體,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。

由來

開爾文是因英國科學家開爾文姓氏而得名的熱力學溫度單位。1848年,英國科學家威廉·湯姆遜首先提出“熱力學溫度”理論,並很快得到國際上的承認。1854年,威廉·湯姆遜提出,只要選定一個固定點,就能確定熱力學溫度的單位。
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,體積膨脹量與溫度呈線性關係。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正比。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)。在熱力學形成後,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)的激烈程度的巨觀體現。

測定方法

當前,主要的熱力學溫度測定方法有:定壓氣體溫度計法、氣體聲學溫度計法、輻射溫度計法(包括光譜福射溫度計和全福射溫度計)、介電常數溫度計法、噪聲溫度計法等,不同原理的熱力學溫度測定方法受自身條件的限制,適用於不同的溫度區間,與氣體折射率基準溫度計測溫區間相重合的主要是聲學溫度計。

負熱力學溫度

從熱力學基本關係式((e)S/(e)U)v=1/T和Boltzmann分散式N2/N1=exp(-ε/kT)說明了熱力學溫度不僅可以有正值還可以存在負值.以核自旋平衡體系為實例指出了負溫度存在的必要條件:必須是一個能量(或能級)有上限的熱平衡體系,與環境絕熱隔離,且還需藉助於一定的外力作用.

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