什么叫热力学温度?热力学温度与摄氏温度的关系

什么叫热力学温度?热力学温度与摄氏温度的关系

热力学温度，又叫热力学标温，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（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）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。
热力学温度介绍
　　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”。开尔文是为了纪念英国物理学家Lord Kelvin而命名 的。 　　以绝对零度（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
　　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，粒子只具有基态和激发态两种能量形态。在正绝对温度条件下，激发态的粒子数多于基态的粒子数。但是，在核自旋系统和激光系统中则相反，基态的粒子数却超过了激发态的粒子数。根据玻尔兹曼的粒子分布函数表示式，如果基态粒子（原子或分子）数大于激发态的粒子数，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
　　热力学温度，又叫热力学标温，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。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反比。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=1.391×10-23J/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。