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热力学温标

热力学温标,又称开尔文温标绝对温标,简称开氏温标凯氏温标,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,符号为K。热力学温标是由威廉·汤姆森,第一代开尔文男爵于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。

定义

热力学温标可以通过下列过程引入[1][2]

假设一个卡诺热机在高温热源(温度 )和低温热源(温度 )之间工作,并且在高温热源吸收热量 ,向低温热源放出热量 ,其间向外界作功 。那么,可逆热机的效率 可以表示为:

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, 仅仅是温度 的函数。为了方便下面的推导,不妨设:

另外,对于任意三个温度 的热源,考虑 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 。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 ,把过程中,热机释放给3号热源的热量记为 ,把过程中,热机吸收自3号热源的热量记为 。为了保证两个过程的可逆性,

  • 必须有
  • 必须有

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:

(其中为形式可选择的普适函数)

可以观察到, 是可取的一种形式。即,

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 (热力学温标)也与测温物质无关。

与其他温标的关系

从开氏温标换算至其他温度单位 从其他温度单位换算至开氏温标
摄氏温标 [°C] = [K] − 273.15 [K] = [°C] + 273.15
华氏温标 [°F] = [K] × 95 − 459.67 [K] = ([°F] + 459.67) × 59

参考文献

  1. ^ 赵凯华; 罗蔚因. 《新概念物理教程 热学》第二版. 高等教育出版社. ISBN 9787040066777. :p.176
  2. ^ 秦允豪. 《普通物理学教程 热学》第三版. 高等教育出版社. 2011. ISBN 978-7-04-030090-1.:p.173-176

参见


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