請問 熵和溫度這兩個物理量哪個更為基礎?是熵定義了溫度呢?還是用溫度定義了熵?

時間 2021-05-06 07:57:36

1樓:智商稅

熵更基礎。這裡我們拋開歷史上概念提出的順序來介紹。

熵是源於對樣本空間所劃分成的諸事件發生概率的統籌,這一點很好地體現在了吉布斯的熵定義式 中。這樣的熵定義式中只有概率,沒有任何物理量,所以它是乙個概率論的概念。夏農對它進行的所謂「公理化」改造也是換湯不換藥,美名其曰「資訊熵」。

工業革命帶給人們功的概念,進而機械能守恆在經典力學中獲得勝利,熱力學第一定律把熱、功、能統一在了一起,於是有了內能 。

熱力學第二定律除了第二類永動機表述(100%熱→功×)和傳熱表述(冷阱→熱源×)以外,還有熵產生 的表述和平衡態存在的表述。

平衡態的存在性使得熱平衡模型成為可能,即

, 且達成熱平衡時:

這就是熱平衡定理,可以由此定義溫度

這樣以後,恆溫近似下的傳熱就可以被描述成 。

2樓:DaiCheng

首先你要定義什麼叫更基本。其次你要分在什麼領域。

我從巨集觀和微觀兩種情況來看我給出的回答是不一樣的。

從巨集觀或者平衡熱力學看,根據熱力學開山大佬吉布斯的文章,很明顯是先有溫度的這個概念(這裡的溫度是從我們大白話說的溫度即人體感覺引申出來)。不接受反駁,古人一開始不可能有熵的概念。但是怎麼把溫度和能量聯絡在一起呢,他於是引出了熵這個概念,熵這裡是和溫度共軛,溫度表示熱強度或者熱勢,熵表示熱物質(模擬化學能表示式)。

但是從微觀來說或者說從統計力學上講,很明顯玻爾茲曼先發現熵和物質微觀狀態數量有關,然後引入溫度是粒子振動幅度的度量這個概念。

所以說誰更基礎,要看你說的基礎是什麼意思和你站在哪個角度分析問題。你給出乙個主觀概念自然角度不同給的回答也不同。

3樓:

肯定是熵,假設乙個盒子裡有很多空氣分子,等到達到熱平衡的時候其分布是玻爾茲曼分布,如果是一維系統,那麼就是低速粒子最多,高速粒子比較少,這時候溫度是正的,但是如果把二者速度交換,此時低速粒子少,高速粒子多,此時熵不變,但是就會搞出來乙個等效負溫度的奇怪概念,所以熵是更為基本的物理量,起碼他不奇怪

這種情況在量子力學裡面對應於佈居反轉,即高能態佔據大於低能態,正常的熱平衡系統是沒辦法達到這樣的情況的,但是他的分布又的確是熱分布,然後就導致等效溫度是負值,這樣的系統按照熱的程度來分的話,其應該比正溫度系統要熱,畢竟他的能量更高,所以這個負溫度的概念就很讓人覺得不自然,但是熵就不管這些了,你系統全在基態和全在激發態的熵都是一致的,他才不管你哪個能級能量高呢,純粹就按照混亂程度來分

當然了,從公式上來看用溫度表象也可以匯出全部的熱力學,用熵表象也可以,所以無所謂哪個基礎不基礎

4樓:

在熱力學中,溫度不過是乙個積分因子。因為它是最先被發現的,且根據常微分方程理論,只要有了乙個積分因子,其餘的積分因子跟最先找到的這個積分因子只差比例常數。所以溫度具有唯一性(只差乙個乘上去的常數)。

且溫度可以測量得到,但是測量的物理量實際上不是直接的「溫度」,一定是其他跟溫度成正比的物理量,如液柱的長度、氣體的壓強、光譜等等。

在統計物理中同樣看不出來。因為微正則系綜是假定已知(NVE),這樣溫度是能量的函式;而正則系綜中,假定已知(NVT),這時候熵是溫度的函式。統計的精髓在於研究能量如何分布在量子態上。

由哈密頓量,也就是量子態,能定義溫度、熵等物理量,這也就是研究從微觀來定義和研究巨集觀。溫度和熵都是巨集觀物理量,微觀下沒有溫度和熵的概念。雖然對於乙個一維單粒子問題,如諧振子,可以按照統計力學計算出其溫度和熵,但是此時已經暗含了我們計算的是大量的無相互作用的這種系統,即系綜。

這麼說來還是量子態是最基礎的。

5樓:曲嘯

認為熵更基礎,因為除了在熱力學中有定義,夏農的資訊學中也引入了熵的概念,就是分析資訊的複雜程度的時候也可用到,二者形式一樣,都可寫成狀態數的對數形式,本質相同...

而溫度麼,你可以認為是熱力學用到的定義,另外需要說明的是,的確是先在熱力學中有了熵的定義之後,夏農才提出了資訊熵...

6樓:陸羽

在傳統的統計物理意義下,熵和溫度都是對於平衡態定義的(雖然熵的定義式本身不依賴於平衡態,但是傳統的解釋需要平衡態和equipartition theorem)。

在這樣的限定下:

從理論上講,熵的定義只用到了數數(counting),而溫度涉及了求導。所以熵是比較基本的。

從實驗上講,熵不具有普遍的操作意義,但是溫度是可以操作的,就是找乙個物體和被測物體放一起整體不發生變化。所以即使有朝一日人們發現了傳統定義下的熵fail了,這種操作意義下定義的溫度仍然具有意義。

在超出統計物理的範疇時,熵的概念仍然使用,所以我相信其導數仍然可以作為溫度的推廣,這樣的角度也在暗示熵更加基本一點。但是溫度仍然是很有用的概念。

7樓:小丑蛙

熱力學裡先有的溫度的概念再有的熵的概念,統計力學裡先用狀態數定義熵再通過熵增原理定義溫度,可以參考朗道的《統計 I》。你非要問哪個更基礎,既然你都知道兩者怎麼來的和兩者的關係,誰更基礎你自己判斷吧。

8樓:公車劍

首先溫度和溫標不是一回事。溫標一直在變,在向溫度的本質靠攏。

先開始用水的冰點和沸點確定攝氏溫標,這就把溫度說簡單了,溫度成了簡單的「冷熱」感覺的度量了。

後來研究熱機的時候,定義了開氏溫標,撇開的測溫介質,這時候感覺溫度是乙個固有屬性了,不再靠著感覺走了。

現在用玻耳茲曼常數定義溫標,1K等於熱能變化1.380649×10-23J時溫度的變化量。

那溫度的微觀意義系是:溫度是表徵粒子數按能級分布的物理量。溫度越高,分布在高能級的粒子數越多。負溫度就是粒子數反轉分布——高能級的粒子數多於低能級粒子數。

溫度和熵的關係是:溫度表徵系統在體積、物質的量不變的情況下,獲得相同能量後,熵增加的幅度大小的度量。溫度越低時,熵增加越多。

所以感覺溫度、熵、能量是三角形的三個頂點的關係。

9樓:htsc-ruc

熵和溫度是一對共軛的熱力學變數。很難說誰更基礎。

但是如果我們將與微觀運動的關係的遠近當作是判斷這兩者誰更基礎的判據的話,無疑熵應該更加基礎,而溫度是乙個匯出的量。理由如下:

在統計物理中,絕大部分微觀運動的資訊在經歷統計平均後在巨集觀的時空尺度上都被抹除了,只有極少數的微觀運動資訊由於對稱性或守恆的原因得以在巨集觀的時空尺度上得以保留,從而成為描述熱平衡狀態的熱力學變數。 例如能量就是乙個很好的例子,它是乙個微觀的運動守恆量,這使它所包含的資訊在經歷微觀自由度的統計平均後得以保留,成為巨集觀尺度上的內能。

而熵的作為乙個熱力學變數之所以可以存在,其根本原因在於微觀運動規律的么正性。即按照微觀運動規律,微觀狀態數是守恆的。熵是與這一微觀守恆律對應的熱力學變數。

溫度雖然很直觀,但是與微觀運動的聯絡比較間接。

10樓:善歡喜王

現代物理學對溫度的理解並不正確,這使得克勞修斯熵的本質變得非常模糊。

實際上,溫度並不是乙個基本物理量,這在《唯心識學》中有論證。為了方便讀者,這裡將論證部分貼出。

溫度的量綱應該是 J/bit ,這樣,克勞修斯熵的量綱就與資訊熵的量綱相同了,都用數量單位 bit 表示系統的有序化程度。

通過分析溫度與熵各自的量綱,很容易明白熵比溫度更基本。熵的量綱是 bit ,位元已經是最基礎的內容之一了,而溫度的量綱是焦耳/位元 ,即溫度是用能量與熵定義的。

11樓:矽基生物

熵更基礎

矽基生物:廣義生命(1)——熵增系統

資訊熱力學中,乙個系統的熵是指該系統可能的量子態的數量的指數,使用指數只是為了便於計算,總之熵是乙個離散是數字,是最「近乎數學」的物理概念。

溫度固定質量和體積的系統,其可能的資訊數s是固定的,資訊數近似值s=2^(m^3·V)(注:該公式僅僅是粗略計算)。對於黑體空腔,其溫度T:T^4=m^3/V

黑體空腔T=(m^3/V)^0.25

這只是黑體空腔的溫度,如果空腔內有費公尺子存在,還要考慮費公尺子的質量。這類系統定義為有質量系統。如果存在對空腔的乙個「說明」,比如存在一束雷射,也會降低空腔的溫度。

從四種相互作用力的角度講,一般我們所說的溫度又特指「電磁學」溫度。

電磁學溫度:光子和帶電粒子所具有的能量中滿足蒲朗克分布律的部分對應的黑體空腔溫度。

1、強調「光子和帶電粒子」即使充斥著很多高能中微子也不視為「熱」的,即使中子,一般也不實為本身溫度。

2、強調滿足蒲朗克分布律的。偏離的不算。比如太Sunny在太陽表面是滿足蒲朗克分布律的,但是到地球表面,就「稀釋」的不符合了,被地面吸收之後變成紅外線和聲子,又重新符合了。

太Sunny照著地上總不能叫「熱能轉換成熱能」吧。

12樓:

首先,熵 和溫度 在熱力學公理體系中是一組共軛的物理量, 具有能量量綱,有時也被稱為束縛能。只要先定義了能量(這是一般公理體系都會做的),二者誰先定義誰後定義,在技術上看都可以。

用溫度定義熵是比較自然的、也是一般熱力學教材採用的方式,因為溫度比熵更直觀。先通過熱力學第一定律引出能量和溫度,之後再使用卡諾定理,通過 定義熵。但實際上,溫度本身的定義並不容易。

我們習慣的溫度定義,是各種溫標(攝氏、華氏、理想氣體等),但它們並未揭示溫度的本質。Caratheodor 曾經試圖用熱力學第零定律引入溫度,指出溫度是彼此沒有能量交換系統的不變數,但這樣的不變數並不確定是溫度,也可能是其它物理量。

用熵定義溫度是不少熱力學公理體系採用的方法,例如朗道的《統計物理學 I》、Callen 的熱力學導論等經典教材都用這種方式,首先引入能量,然後通過熱力學第二定律引入熵的概念,接著用 定義熱力學溫度,並在隨後建立上式與一般溫標的關係。這種方法比較抽象,尤其是說明熵和溫度的關係時。但好處是邏輯體系比較完整,不需要處理溫度的複雜問題。

上面說的是如何從理論中產生這兩個概念。題主這個問題似乎還有另一層含義,即客觀上是熵的概念更基本還是溫度的概念更基本。這個問題更複雜一些,我們可對比與這二者類似的另一組概念:

體積 和壓強 。顯然體積是空間量度,直接可以從長度這一基本物理量中衍生出來,是乙個與系統直接相關的廣度性質。而壓強則需要借助壓力 與空間面積 兩個量來定義,是乙個不同系統之間可以共享的強度性質。

實際上可以理解為先有了物質佔據的空間體積,後有了壓強這一性質。

由此我們看,體積功 ,可以模擬前面的束縛能 ,這時候熵類似於體積,是乙個和系統相關的廣度性質,而溫度則是強度性質。如果從物質的角度出發,是先有了系統的熵,後有了不同系統之間的溫度差別,也即溫度。這也和前面的 定義是相吻合的。

所以從這個意義上說,可以認為熵是更基礎的物理量。

附加一句,看到有答案提到粒子的平均動能等於溫度,由此說明溫度也是乙個物質的固有屬性,這不完全準確。首先這一說法只是乙個形象的近似,因為溫度 和動能 量綱不同,差乙個玻爾茲曼常數 。其次,平均動能等於 的能量均分定理嚴格來說只能用於理想氣體,不是乙個基本定律。

再次,上述關係可以從溫度的統計力學定義中方便地推導出來,因此不能以此為依據說熵和溫度同樣基礎。

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