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熱力學溫標

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熱力學溫標,又稱克耳文溫標絕對溫標,簡稱克氏溫標,是一種標定、量化溫度的方法。它對應的物理量是熱力學溫度,或稱克氏度,符號為K,為國際單位制中的基本物理量之一;對應的單位是克耳文,符號為K。熱力學溫標是由威廉·湯姆森,第一代克耳文男爵於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。

熱力學溫度又被稱為絕對溫度,是熱力學統計物理中的重要參數之一。一般所說的絕對零度指的便是0 K,對應-273.15°C。

定義[編輯]

熱力學溫標可以通過下列過程引入[1][2]

假設一個可逆熱機(如卡諾熱機)在高溫熱源(溫度 )和低溫熱源(溫度 )之間工作,並且在高溫熱源吸收熱量 ,向低溫熱源放出熱量 ,其間向外界作功 。那麼,可逆熱機的效率 可以表示為:

卡諾定理指出,可逆循環效率只與高溫熱源和低溫熱源的溫度有關,而與工作物質(工質)或工作路徑等其它因素無關。也就是說, 僅僅是溫度 的函數。為了方便下面的推導,不妨設:

另外,對於任意三個溫度 的熱源,考慮 兩個可逆過程。不妨設兩個過程中,熱機都從1號熱源吸收了相同的熱量 。另外,把兩個過程中,熱機最終釋放給2號熱源的熱量分別記為 ,把過程中,熱機釋放給3號熱源的熱量記為 ,把過程中,熱機吸收自3號熱源的熱量記為 。為了保證兩個過程的可逆性,

  • 必須有
  • 必須有

否則都將意味著熱機運作過程中,有熱量散失或有新的能量進入系統,這都違反了卡諾定理。

由此,容易證明:

(其中為形式可選擇的普適函數)

可以觀察到, 是可取的一種形式。即,

由於定義式只給出了兩個溫度的比值,仍需要一個標準點。1954年國際度量衡大會決定,取水的三相點(273.16K)作為標準點,作為熱力學溫標的定義。

通過推導過程,可以注意到:由於卡諾定理中,熱量交換做功是與測溫物質無關,所以通過上述方法取定的溫標 (熱力學溫標)也與測溫物質無關。

與其他溫標的關係[編輯]

從克氏溫標換算至其他溫度單位 從其他溫度單位換算至克氏溫標
攝氏溫標 [°C] = [K] − 273.15 [K] = [°C] + 273.15
華氏溫標 [°F] = [K] × 95 − 459.67 [K] = ([°F] + 459.67) × 59

參考文獻[編輯]

  1. ^ 趙凱華; 羅蔚因. 《新概念物理教程 熱學》第二版. 高等教育出版社. ISBN 9787040066777.  :p.176
  2. ^ 秦允豪. 《普通物理學教程 熱學》第三版. 高等教育出版社. 2011. ISBN 978-7-04-030090-1. :p.173-176

參見[編輯]