溫度的準確定義是什麼?

時間 2021-05-11 18:34:12

1樓:

這個問題挺複雜的,目前想到的有以下幾個:

熱學:熱零定律

表徵熱平衡過程中能量流動的方向。注意,這裡熱零只是說溫度可定義,沒有說具體該怎麼定義。乙個比較好的toy model就是理想氣體,根據它的狀態方程得到的溫度是理論上最佳的選擇,因為可以和其他的溫度定義保持一致,同時也容易找到比較接近這個模型的真實系統。

你也可以完全自行定義一套溫標,比如自製乙個水銀溫度計,在上面隨便劃上一些刻度來指示溫度。只不過這樣不嚴謹,缺少更基本的理論基礎。

統計物理:系綜理論,分布函式

平衡態中粒子在不同能量狀態下的分布函式的一般形式為: ,溫度成了這個分布函式的係數。通過系綜理論,或者各種排列組合的方法推導分布函式就能自動產生。

很多所謂的「負溫度」就是對某些亞穩態的分布進行擬合,從而得到一些負的係數。

動理學:能均分原理,漲落耗散定理

在熱平衡下,粒子的平均動能也正比於溫度: ,這裡 是乙個方向上的速度。本來我覺得這樣的定義比較沒有一般性,畢竟不是所有熱學系統都是關於速度的。

另外哪些情況下能用能均分,這個我也不是很清楚。只能說在某些系統中能均分是乙個不錯的假設,然後在這類情況下可以通過能均分來定義溫度。

但如果通過能均分推導漲落耗散定理就有更深層次的理解了。一般可以從描述布朗運動的郎之萬方程出發,粒子的位置或速度的方差會趨於乙個穩定的值,而這個值又由漲落和耗散的比值決定。再根據能均分,得到這個方差和溫度的關係。

於是溫度就成了漲落與耗散的比。

但這個故事其實是很複雜的。比如,郎之萬方程如何得到?如何進行系統-環境分離?

耗散部分如何處理?要不要考慮馬爾科夫過程?總之,從微觀機制去理解溫度其實是比較困難的,尤其涉及到非平衡的系統。

當然,乙個系統是不是平衡系統,本身也是乙個並不容易的問題。

2樓:紙飛機

溫度的定義有很多很多. 本質上來說溫度實際上可以被看作是某個等價類到實數的對映關係,不同的對映關係對應了不同的溫度系統: 例如熱力學溫度,攝氏度,華氏度,甚至 這種溫度都只不過是同乙個等價類的不同對映關係罷了.

首先, 溫度能夠作為某乙個等價類的乙個對映是由熱力學第零定律來保證的:

ABC為三個物體, 若A與B達到了熱平衡, 保持B狀態不變. 若同時B也與C處於熱平衡, 那麼A和C也一定處於熱平衡.因此, 可以將熱平衡定義成兩個物體之間的乙個等價關係 , 滿足下面三個條件

自反性:, 即A與自己處於熱平衡.

對稱性:, 即A與B處於熱平衡, 那麼B也與A處於熱平衡

傳遞性:, 即熱力學第零定律.

可以看到, 熱平衡很自然的就可以被定義成等價關係, 相互之間處於熱平衡的物體位於乙個等價類內, 不處於熱平衡的物體則不位於乙個等價類內. 那麼, 溫度出現在什麼地方呢? 很自然的,既然乙個等價關係能夠將所有物體的這個集合劃分成乙個個不同的等價類 (換句話說, 劃分成很多子集, 子集內部的元素相互處於熱平衡), 那麼我們當然想為這些等價類做乙個編號或者命名.

這種編號方式, 可以被認為是廣義上的溫度.

說的數學一點, 設所有物體的集合為 , 其中的乙個等價類為 , 所有 的元素處於熱平衡. 所謂為等價類的編號, 只不過就是定義乙個 的對映, 於是我們將這個對映 的 稱為乙個廣義溫度系統, 而對映的數值 則被稱為物體或者與他處於熱平衡的集合的"廣義溫度".

但是需要注意的是, 這個溫度還只是廣義上的溫度, 因為對映 可以非常任意. 我們還需要注入一些物理內容去限制一下這個對映. 比如, 我們希望溫度具有這樣的性質:

溫度高物體總是會向溫度低的物體傳遞能量(例如熱力學溫度), 或者反過來(例如 ). 我們要求:如果f(\mathscr)" eeimg="1"/>, 那麼 將會向 傳遞能量.

這樣一下子就對溫度系統施加了很多限制, 他要求溫度需要與能量傳遞聯絡起來. 直到這一步, 我們平時熟悉的溫度的語言才基本上建立起來了. 但是, 還不夠, 因為你會問:

這個對映 到底是什麼呢? 再進一步的定義, 就需要聯絡實驗了. 下面是我的一些思考, 僅供參考.

首先, 實驗中發現在同乙個等價類 中, 也就是處於熱平衡的物體中, 兩個物體 的體積, 壓強和物質的量呈現關係 . 或者等價的 , 式子右端是乙個以等價類為變數的函式.

其次, 我們還發現, 如果 F(\mathscr)\equiv \frac" eeimg="1"/>, 那麼會出現 向 傳遞熱量的實驗現象.

哦, 於是就知道了, 似乎這個 和我們的 的性質很像啊, 乾脆我們就讓他們相等好了, 並且命名為熱力學溫度函式 , 其中 是乙個常數. 由此我們得到了理想氣體狀態方程

所以從這個角度來看, 理想氣體狀態方程其實更像是對熱力學溫度的乙個定義呢.

3樓:Samtsirhc

我所知道的溫度有三個溫度,分別是熱力學溫度,輻射溫度以及自旋溫度。

熱力學溫度即平常所說的體系分子運動的劇烈程度的描述。

輻射溫度是指為使得理想黑體發出與給定熱輻射源同樣的輻射功率所需的溫度,與熱力學溫度有關。

自旋溫度:例如氫原子中電子自旋量子數可以為±1/2,電子與其原子核耦合時,自旋方向的不同會造成其體系能量不同,許多這樣的原子構成的體系就有不同的自旋耦合情況,導致存在自旋能量差異的原子。自旋溫度就是描述體系原子或分子自旋耦合狀態。

4樓:lixen

溫度這個概念不能用分子運動論和熱力學解釋。物理真空的溫度如何解釋?3.

5K星際空間的輻射如何解釋?我們不清楚物理粒子內部的溫度,猜想質子內部是有溫度分布的,現在物理學還沒有對溫度給出科學解釋。我們不清楚在特殊情況下如何測量溫度。

乙個系統如果溫度相同,可以用E=kT表示熱能。物理粒子內部是否存在熱能?總而言之,我們對溫度知之甚少。

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