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
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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.
