熱力學(xué)中溫度的定義

1、第 卷第期年 月海南師范大學(xué)學(xué)報(bào) 白然科學(xué)版© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 熱力學(xué)中溫度的定義張福恒，劉曉慈（海南師范大學(xué)物理系，海南禪口）摘 要：從熱運(yùn)動(dòng)這慕本畑實(shí)出發(fā)，引入了描述熱運(yùn)動(dòng)的物理最0,從広觀的角度重新定 義了溫度的概念，并給出了熱力學(xué)第寥定律的數(shù)學(xué)表述 溫

2、度是熱力學(xué)系統(tǒng)單位熱運(yùn)動(dòng)最的能 帚:，它與現(xiàn)冇理論并無(wú)矛盾，并貝冇清晰的物理意義關(guān)鍵詞:熱運(yùn)動(dòng)；熱運(yùn)動(dòng)量：溫度的定義；爛；能最中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）在早期的熱力學(xué)理論中,溫度并沒(méi)有給出明確的定義，哄至在-些名著中也沒(méi)給出溫度的明確定義一1 在 世紀(jì)熱力學(xué)理論建芷過(guò)程中，溫度的概念僅憑經(jīng)驗(yàn)白接引入到理論中，在熱力學(xué)理論基本建立后，才 發(fā)現(xiàn)溫度這基本問(wèn)題并沒(méi)冇泄義因此，在熱力學(xué)笫泄律和熱力學(xué)第二立律建立 年后的 世紀(jì) 年代才發(fā)現(xiàn)了熱平衡怎律，從邏輯上講，只能稱(chēng)Z為熱力寧繪乍定律了由熱力學(xué)第叨1彳禮從中定義了溫 度是互為熱¥衡的物體所貝有的-個(gè)相等的態(tài)兩數(shù)門(mén)或者說(shuō)，處于同-

3、熱平衡狀態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都 !有一個(gè)共同的宏觀性質(zhì)，衣征這 以見(jiàn)性質(zhì)的物理量就定義為溫度門(mén) 這些定義眾然較為抑煤，在理解和 應(yīng)用上，容易忽視了溫度與能鈦的聯(lián)系所以，要不斷強(qiáng)調(diào)溫度的微觀意義及溫度的統(tǒng)計(jì)意義，因其同時(shí)也 彫響了至今仍未統(tǒng)認(rèn)識(shí)的相對(duì)論熱力學(xué)理論的建立門(mén)這說(shuō)明溫度概念的建立經(jīng)歷了 個(gè)長(zhǎng)期的理論和 實(shí)踐的探索本文從熱運(yùn)動(dòng)這去本M實(shí)出發(fā)，重新定義溫度的概念，并給出熱力學(xué)第零定律的數(shù)學(xué)衣述 新定義與現(xiàn)有理論并無(wú)矛厲，僅相差個(gè)比例系數(shù)個(gè)系數(shù)之差，在物理理論上并不影響整個(gè)理論體系, 只要適當(dāng)選擇單位制即可消去此系數(shù)溫度的新定義熱力學(xué)研究的對(duì)象是由人晟無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的微觀粒子組成的系統(tǒng)人磺微觀粒了

4、的無(wú)觀則運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為熱 運(yùn)動(dòng),熱力學(xué)就是研究熱運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)的宏觀規(guī)律的為了描述大最微觀粒了無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)這熱現(xiàn)彖，必須引入個(gè)熱運(yùn)動(dòng)宏觀狀態(tài)所特冇的最，這個(gè)最我 們用c來(lái)衣示，稱(chēng)為熱運(yùn)動(dòng)帚 處于熱平衡態(tài)的系統(tǒng)，即表現(xiàn)了系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)的宏觀狀態(tài)（微觀狀態(tài)的統(tǒng)計(jì) 平均）處于一確定值 因此,熱運(yùn)動(dòng)童。是反映熱運(yùn)動(dòng)大小的一個(gè)無(wú)量綱的狀態(tài)函數(shù) 由于熱運(yùn)動(dòng)是大最 微觀粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)的熱運(yùn)動(dòng)蟻。是-個(gè)廣延鍛后面的論述將說(shuō)明。是與爛聯(lián)系的，這 里，我們不妨直接稱(chēng)a為爛下而我們從熱運(yùn)動(dòng)這班實(shí)出發(fā)，給出溫度的定義:溫度是熱平衡系統(tǒng)單位埔的能鼠論述證明:如圖 所示，在相對(duì)系統(tǒng)質(zhì)心靜止的參考系中，有兩個(gè)熱接觸并處于熱

5、平衡的系統(tǒng)I和II, 其能最分別為和，爛分別為c和。兩系統(tǒng)構(gòu)成-處于熱平衡的孤立系統(tǒng)（，），苴能最為，爛為 。由于。和 均為廣延最,于是有收稿期山于孤立系統(tǒng)處于平衡態(tài)，因此 及。應(yīng)人冇極值，否則它不處丁平衡態(tài) 對(duì)于參數(shù)入冇圖 互為熱平衡的兩熱力學(xué)系統(tǒng)X X A o A o XA X 由此即:互為熱平衡的系統(tǒng)，其單位爛（熱運(yùn)動(dòng)最）的能最相等（）式是參數(shù)入的函數(shù)，即a為熱平衡的熱力學(xué)系統(tǒng)有個(gè)相等的函數(shù)（態(tài)函數(shù)）根據(jù)熱力學(xué)第冬泄律，我們將苴定義為溫度，用 農(nóng)示：一孑,即互為熱¥衡的物體具有相同的溫度 這里，我們從數(shù)學(xué)上簡(jiǎn)單地農(nóng)述了熱力學(xué)第零定律,（）式可作為熱力學(xué)第零定律的數(shù)學(xué)衣述溫標(biāo)的建

6、立理論上冇了溫度概念的定義，但在實(shí)用上我們采用的是溫標(biāo)，即溫度的數(shù)值表示由于溫度和現(xiàn)有理論的溫度均衣示了互為熱平衡系統(tǒng)共有的個(gè)態(tài)函數(shù)（狀態(tài)的單值函數(shù)），因 此，我們有理由認(rèn)為與Z間存在正比關(guān)系我們只要選擇適當(dāng)?shù)膯挝?則常數(shù)即可為在后面的論述屮我們將說(shuō)明在國(guó)際單位制中，就是玻爾茲曼常數(shù)k這樣，我們完全可按現(xiàn)冇理論方法，規(guī)定水的三相點(diǎn)為參考點(diǎn)，建立理想氣體溫標(biāo) 同樣，也可建立起 熱力學(xué)溫標(biāo)討論）宙于熱力學(xué)研究的是熱運(yùn)動(dòng)的加觀規(guī)律因此在理論上tf先引入描述熱運(yùn)動(dòng)的広觀物理晟熱 運(yùn)動(dòng)最。是介理的引入的。必定是熱現(xiàn)象所特冇的帚，就像力學(xué)理論中首先引入力和質(zhì)最等物理帚，電 學(xué)理論中引入電場(chǎng)強(qiáng)度物理最-樣）

7、。為描述熱運(yùn)動(dòng)的個(gè)駅，而熱力學(xué)是從広觀上研究熱現(xiàn)彖的 門(mén)理論，因此熱力學(xué)中并不能很 好理解O的微觀意義，只能說(shuō)它是系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)大小的個(gè)最度）統(tǒng)計(jì)物理學(xué)是冃前物理理論體系中最完美的理論，愛(ài)因斯坦也給予了極高的評(píng)價(jià) 它獨(dú)立于熱力 學(xué)理論，從微觀角度研究了熱運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 我們?cè)谶@里引入的描述熱運(yùn)動(dòng)的就6其意義就是統(tǒng)計(jì)物理中微 觀狀態(tài)數(shù)對(duì)應(yīng)的爛這里的。與現(xiàn)冇理論的爛 之間的關(guān)系為】 KO.Jt中K為玻爾茲曼常數(shù)這 樣，我們定義的溫度 與現(xiàn)有理論的溫度 有如下關(guān)系門(mén)： K因此，在現(xiàn)有理論中，也可定義溫度 為能量與爛的比值）根據(jù)上而的討論，從熱力學(xué)角度可以看出，宏觀物理冷爛反映了系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)的大小結(jié)束語(yǔ)我們朿新賦

8、予了溫度概念一個(gè)確切表述，并給出簡(jiǎn)單論述證明指出溫度是熱平衡系統(tǒng)單位爛的能 戢,及其和現(xiàn)有理論并無(wú)矛盾之處,并不需對(duì)現(xiàn)有理論作任何修正從宏觀匕看，溫度表征了系統(tǒng)的能量; 微觀上看,它表征了組成系統(tǒng)的微觀粒子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的平均能量由于能最在相對(duì)論變換中L1冇結(jié)論，而爛表征了系統(tǒng)的澈觀狀態(tài)數(shù)，數(shù)是相對(duì)論變換中的不變帚 這 樣，以上我們對(duì)溫度的定義將有町能解決溫度的相對(duì)論變換問(wèn)題的長(zhǎng)期爭(zhēng)論,為相對(duì)論熱力學(xué)理論的 建立提供了i個(gè)更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights r

9、eserved, 海南師范人學(xué)學(xué)報(bào)口然科學(xué)版參考文獻(xiàn)：伯克利物理學(xué)教程統(tǒng)計(jì)物理學(xué)周世勛譯北京科F擊版社汪志減熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理版 北京高等教廳出版杜鄒邦銀熱力7與分子物理學(xué)試漢:華中師范大學(xué)出版社：張鎮(zhèn)九相對(duì)論物理學(xué) 武漢華中師范大學(xué)出版社Jincij道e 栗界席茲統(tǒng)計(jì)物理學(xué)楊訓(xùn)愷譯北京人民教仃出版社談鎬生關(guān)于相對(duì)論熱力學(xué)中的溫度變換 中國(guó)科學(xué)光濤輻射功率不變性和溫度洛侖茲變換科學(xué)通報(bào)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2009 C

10、hina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, （上接第頁(yè)） 參考文獻(xiàn)：孫禎祥論網(wǎng)絡(luò)教有媒體與電視教育媒體的融介 電化教育研究 （）徐止山現(xiàn)代教仔技術(shù)中的電視教仔與網(wǎng)絡(luò)教仔 科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)（）L付道明張利桃中國(guó)教仃電視的研究現(xiàn)狀號(hào)發(fā)展趙勢(shì)電化教戸研究（）