热力学温度

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同义词 国际温标一般指热力学温度
热力学温标,又称开尔文温标绝对温标,简称开氏温标,是一种标定、量化温度的方法。它对应的物理量是热力学温度,或称开氏度,符号为K,为国际单位制中的基本物理量之一;对应的单位是开尔文,简称,符号为K。热力学温标是由威廉·汤姆森,第一代开尔文男爵于1848年利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入的。它是一个纯理论上的温标,因为它与测温物质的属性无关。符号T,单位K(开尔文,简称开)。
早在1787年法国物理学家查理(J.Charles)就发现,在压力一定时,温度每升高1℃,一定量气体的体积的增加值(膨胀率)是一个定值,体积膨胀率与温度呈线性关系。国际实用温标是以国际上所通过的一系列纯物质的固定点,此时的固定点也就是系统内部完全达到平衡状态,在宏观上没有变化,而满足平衡状态的充要条件是:力学平衡,热平衡,相平衡,和化学平衡(如平衡氢三相点、平衡氢沸点、氧三相点、水三相点、锡凝固点等)。此时的固定点作为基准用于标定规定的基准温度计(如铂电阻温度计和铂-10%铑/铂热电偶等)并给出相应的内插公式用于测定温度。
热力学温度又被称为绝对温度,是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0K,对应-273.15摄氏度。
中文名
热力学温度
外文名
thermodynamic temperature
符    号
T
单    位
开尔文

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热力学温度介绍

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国际单位制(SI)的7个基本量之一,热力学温标的标度,符号为T。根据热力学原理得出,测量热力学温度,采用国际实用温标
热力学温度旧称绝对温度(absolute temperature)。
单位是“开尔文”,英文是“Kelvin”简称“开”,国际代号“K”,但不加“°”来表示温度。开尔文是为了纪念英国物理学家Lord Kelvin而命名的。
绝对零度(0K)为最低温度,规定水的三相点的温度为 273.16K,开定义为水三相点热力学温度的1/273.16。
摄氏度为表示摄氏温度时代替开的一个专门名称。而水的三相点温度为0.01摄氏度。因此热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是:T(K)=273.15+t(℃)。
规定热力学温度的单位开(K)与摄氏温度的单位摄氏度(℃)的平均值完全相同。所以△T K = △T ℃
在表示温度差和温度间隔时,用K和用℃的值相同。所以很多人经常会写1K=1℃ ,这是绝对错误的示范!

热力学温度本质

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工程热力学中提到的绝对温度,都是绝对温度零度以上的正绝对温度。但是,在20世纪50年代以后,在核磁共振和激光效应的研究,发现核自旋系统和激光系统中,粒子只具有基态激发态两种能量形态。在正绝对温度条件下,基态的粒子数多于激发态的粒子数。但是,在核自旋系统和激光系统中则相反,激发态的粒子数却超过了基态的粒子数。根据玻尔兹曼的粒子分布函数表示式,如果激发态粒子(原子或分子)数大于基态的粒子数,则绝对温度应该为负值,即能够出现负的绝对温度。
这是由于根据玻尔兹曼的粒子分布函数表达式,当绝对温度高于无穷大时,才能实现激发态粒子数超过基态的粒子数,才能出现负绝对温度。也就是说,负绝对温度系统的能量大于无穷大绝对温度的能量,导致负绝对温度实际上高于正绝对温度。
经典热力学中的温度没有最高温度的概念,只有理论最低温度“绝对零度”。热力学第三定律指出,“绝对零度”是无法通过有限次步骤达到的。在统计热力学中,温度被赋予了新的物理概念——描述体系内能随体系混乱度(即熵)变化率的强度性质热力学量。由此开创了“热力学负温度区”的全新理论领域。通常我们生存的环境和研究的体系都是拥有无限量子态的体系,在这类体系中,内能总是随混乱度的增加而增加,因而是不存在负热力学温度的。而少数拥有有限量子态的体系,如激光发生晶体,当持续提高体系内能,直到体系混乱度已经不随内能变化而变化的时候,就达到了无穷大温度,此时再进一步提高体系内能,即达到所谓“粒子布居反转”的状态下,内能是随混乱度的减少而增加的,因而此时的热力学温度为负值!但是这里的负温度和正温度之间不存在经典的代数关系,负温度反而是比正温度更高的一个温度!经过量子统计力学扩充的温标概念为:无限量子态体系:正绝对零度<正温度<正无穷大温度,有限量子态体系:正绝对零度<正温度<正无穷大温度=负无穷大温度<负温度<负绝对零度。正、负绝对零度分别是有限量子态体系热力学温度的下限和上限,均不可通过有限次步骤达到。

热力学温度由来

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早在1787年法国物理学家查理(J.Charles)就发现,在压力一定时,温度每升高1℃,一定量气体的体积的增加值(膨胀率)是一个定值,体积膨胀量与温度呈线性关系。起初的实验得出该定值为气体在0℃时的体积的1/269,后来经许多人历经几十年的实验修正,其中特别是1802年法国人盖·吕萨克(J.L.Gay-Lussac)的工作,最后确定该值1/273.15。将上述气体体积与温度的关系用公式来表示,形式如下:
V=V0(1+t/273.15)=V0(t+273.15)/273.15
式中V是摄氏温度为t/℃时的气体体积。若定义t+273.15≡T(于是0℃+273.15=T0),上述关系就可以用形式更简单的公式来表达:V/T=V0/T0,进一步看,V1/T1=V0/T0,V2/T2=V0/T0,自然有V1/T1=V2/T2,即在任何温度下一定量的气体,在压力一定时,气体的体积V与用T为温标表示的温度成正比。这叫做查理-盖·吕萨克定律。事实上这种关系只适用于理想气体。为此,人们起先把T称为理想气体温度(温标),又叫绝对温度(温标)。在热力学形成后,发现该温标有更深刻的物理意义,特别是克劳修斯(Claosius)和开尔文(Kelvin)论证了绝对零度不可达到,便改称热力学温度(温标),并用Kelvin第一个字母K为其单位。
物体的温度是构成物体的大量微粒运动(热运动)的激烈程度的宏观体现。例如由单原子分子构成的气体的大量分子的平均动能Ek与它的温度T的关系经统计热力学理论推导为:
E(—)k=3/2kT
其中k=1.38064852×10-23J/K,被称为玻尔兹曼(Boltzmann)常量,等于气体常量R与阿伏加德罗常量N0之比。
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