热力学温标,又称开尔文温标、绝对温标,简称开氏溫標,凱氏溫標,是一种标定、量化温度的方法。它对应的物理量是热力学温度,或称开氏度,符号为K,为国际单位制中的基本物理量之一;对应的单位是开尔文(英語:Kelvin),符号为K。热力学温标是由第一代开尔文男爵威廉·汤姆森于1848年利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入的。它是一个纯理论上的温标,因为它与测温物质的属性无关。
热力学温度又被称为绝对温度,是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0K,对应-273.15°C或-459.67°F。
国际计量委员会建议采用波茲曼常數定义热力学温度单位开尔文(K)。2019年5月20日起,1开尔文被定义为“对应波茲曼常數为1.380649\times 10^{-23}J\cdot K^{-1}的热力学温度”。
历史定义
热力学温标可以通过下列过程引入:
假设一个卡诺热机在高温热源(温度 \Theta_1 )和低温热源(温度 \Theta_2 )之间工作,并且在高温热源吸收热量 Q_1,向低温热源放出热量 Q_2,其间向外界作功 W。那么,可逆热机的效率 \eta 可以表示为:
:\eta_{12} = \frac=\frac=1-\frac
卡诺定理指出,可逆循环的效率只与高温热源和低温热源的温度有关,而与工作物质(工质)或工作路径等其它因素无关。也就是说, \eta_{12} 仅仅是温度 \Theta_1 和 \Theta_2 的函数。为了方便下面的推导,不妨设:
:f(\Theta_1,\Theta_2) = 1-\eta_{12} = \frac。
另外,对于任意三个温度 \Theta_1、\Theta_2、\Theta_3 的热源,考虑 1\rightarrow3\rightarrow2 和 1\rightarrow2 两个可逆过程。不妨设两个过程中,热机都从1号热源吸收了相同的热量 Q_1。另外,把两个过程中,热机最终释放给2号热源的热量分别记为 Q_2 和 Q'_2 ,把1\rightarrow3过程中,热机释放给3号热源的热量记为 Q_{3in},把3\rightarrow2过程中,热机吸收自3号热源的热量记为 Q_{3out}。为了保证两个过程的可逆性,
*必须有 Q_{3in} = Q_{3out} \equiv Q_3。
*必须有 Q_2 = Q'_2。
否则都将意味着热机运作过程中,有热量散失或有新的能量进入系统,这都违反了卡诺定理。
由此,容易证明:
:f(\Theta_1,\Theta_2) = \frac = \frac = \frac{f(\Theta_3,\Theta_2)}{f(\Theta_3,\Theta_1)} \equiv \frac{\psi(\Theta_2)}{\psi(\Theta_1)}
(其中\psi(\Theta)为形式可选择的普适函数)
可以观察到,\psi(\Theta)=\Theta 是可取的一种形式。即,f(\Theta_1,\Theta_2) = \frac{\Theta_2}{\Theta_1}。
由于定义式只给出了两个温度的比值,仍需要一个标准点。1954年国际计量大会决定,取水的三相点(273.16K)作为标准点,作为热力学温标的定义。
通过推导过程,可以注意到:由于卡诺定理中,热量交换做功是与测温物质无关,所以通过上述方法取定的温标 \Theta(热力学温标)也与测温物质无关。
与其他温标的关系
参考文献
参见
- 开尔文
评论 (0)