温度和温标
搞清三种温标的换算关系、定义本质与适用边界
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温度和温标
搞清三种温标的换算关系、定义本质与适用边界
热力学系统
上一节我们用温标给温度赋了数,但要研究温度怎么变化,先得划清楚「研究谁」——这就是热力学系统。
缸壁就是边界,决定水和空气能换什么
状态参量
给保温杯里的水做完温度、体积和压强测量,这些读数就共同描出了这一时刻的状态。能定位系统宏观状态的物理量,就是状态参量。
当前坐标定位地点,状态参量定位宏观状态;两者都不记录来路
平衡态
前面我们用状态参量描述系统,但什么时候这些参量才有确定值?答案是——系统必须先达到平衡态。
搅拌停后水流静止,温度均匀分布,不再随时间变化
热平衡
上一页说到孤立系统最终会到达平衡态。现在问一个更现实的问题:两个温度不同的物体靠在一起,会发生什么?
水位差驱动水流;水位相同则水流停止——对应温差驱动热流,温度相同则热平衡
热平衡定律
上一页我们说两个系统接触会达到热平衡、温度相同。但如果 A 在北京、B 在上海,它们从没见过面,怎么判断温度是否相同?我们需要一支温度计——也就是那个「第三者」。
尺子就是那个 C,两个物体各自和它比,自然能间接互比——这就是温度计能工作的根本原因
温标
上页说温度是描述热平衡的态函数——但冷热只是感觉,要让温度成为可操作的物理量,必须先把它对应到一把带刻度的尺子上。
量同一件事,但零点和分度不同,要换算才知道同一长度
摄氏温标
上页我们说温标就是给温度定一把标尺。摄氏温标就是你从小在天气预报里看到的那把——零度结冰、百度开水。但这把尺的来历比你想的更有意思。
刻度间距完全相同(1°C步长=1 K),只差273.15的零点——像从地板还是从地下室起算量身高
热力学温标
上一页的摄氏温标靠水银柱高度来量温度,但水银的热胀冷缩终究是一种物质的偶然性质。有没有一种温度,能摆脱任何具体物质,从物理原理本身长出来?
都不依赖任何具体物质,直接用最基础的物理原理钉死单位
温度
从热冷两杯水最终变成一样温讲起——这「一样温」描述的就是温度。但温度究竟是什么物理量?和分子运动、热量怎么区分?
水位是强度量——水量加再多水位也不翻倍;温度也是强度量。两杯同温水混合仍同温,但总热量翻倍
温度计
上页给出了温度的精确定义——可这温度看不见摸不着。要把一个系统的温度「读」出来,得靠一件随温度可预测变化的仪器,那就是温度计。
系统「说不出」自己多热;温度计借测温性质把温度「翻」成读数——选不同特征,「翻译」结果会略有出入
本节要点
- ✓热平衡定律是温度定义与温标建立的逻辑前提
- ✓温度是强度量,不随系统尺度变化
- ✓热力学温标不依赖具体物质,是真正的绝对温标
- ✓摄氏零度是人为约定,绝对零度才是物理极限
- ✓实际温度计的精度受限于测温物质的属性
课后思考
先自己琢磨,再看提示——好的问题没有标准答案,重要的是思考过程。
参考答案温度本身是状态量,但没有刻度就无法比较。先约定温标(如摄氏、热力学温标),才有'多少度'。温度是测量值,依赖所选参考。
参考答案需选测温物质和可观测属性(如气体压强),选两个固定点做基准(如某物质相变点),规定内插方式——这正是温标三要素的实践。
参考答案热力学温标的零点是理论极限,由卡诺循环效率推得,不可达但可趋近。说明自然界存在温度下限,是统计物理的深刻结论。