熱力學中溫度的定義

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

2、度是熱力學系統(tǒng)單位熱運動最的能 帚:，它與現(xiàn)冇理論并無矛盾，并貝冇清晰的物理意義關(guān)鍵詞:熱運動；熱運動量：溫度的定義；爛；能最中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）在早期的熱力學理論中,溫度并沒有給出明確的定義，哄至在-些名著中也沒給出溫度的明確定義一1 在 世紀熱力學理論建芷過程中，溫度的概念僅憑經(jīng)驗白接引入到理論中，在熱力學理論基本建立后，才 發(fā)現(xiàn)溫度這基本問題并沒冇泄義因此，在熱力學笫泄律和熱力學第二立律建立 年后的 世紀 年代才發(fā)現(xiàn)了熱平衡怎律，從邏輯上講，只能稱Z為熱力寧繪乍定律了由熱力學第叨1彳禮從中定義了溫 度是互為熱¥衡的物體所貝有的-個相等的態(tài)兩數(shù)門或者說，處于同-

3、熱平衡狀態(tài)的所有熱力學系統(tǒng)都 !有一個共同的宏觀性質(zhì)，衣征這 以見性質(zhì)的物理量就定義為溫度門 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，要不斷強調(diào)溫度的微觀意義及溫度的統(tǒng)計意義，因其同時也 彫響了至今仍未統(tǒng)認識的相對論熱力學理論的建立門這說明溫度概念的建立經(jīng)歷了 個長期的理論和 實踐的探索本文從熱運動這去本M實出發(fā)，重新定義溫度的概念，并給出熱力學第零定律的數(shù)學衣述 新定義與現(xiàn)有理論并無矛厲，僅相差個比例系數(shù)個系數(shù)之差，在物理理論上并不影響整個理論體系, 只要適當選擇單位制即可消去此系數(shù)溫度的新定義熱力學研究的對象是由人晟無規(guī)則運動的微觀粒子組成的系統(tǒng)人磺微觀粒了

4、的無觀則運動稱為熱 運動,熱力學就是研究熱運動所表現(xiàn)出來的宏觀規(guī)律的為了描述大最微觀粒了無規(guī)則運動這熱現(xiàn)彖，必須引入個熱運動宏觀狀態(tài)所特冇的最，這個最我 們用c來衣示，稱為熱運動帚 處于熱平衡態(tài)的系統(tǒng)，即表現(xiàn)了系統(tǒng)熱運動的宏觀狀態(tài)（微觀狀態(tài)的統(tǒng)計 平均）處于一確定值 因此,熱運動童。是反映熱運動大小的一個無量綱的狀態(tài)函數(shù) 由于熱運動是大最 微觀粒子的無規(guī)則運動，因此系統(tǒng)的熱運動蟻。是-個廣延鍛后面的論述將說明。是與爛聯(lián)系的，這 里，我們不妨直接稱a為爛下而我們從熱運動這班實出發(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，在相對系統(tǒng)質(zhì)心靜止的參考系中，有兩個熱接觸并處于熱

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) 對于參數(shù)入冇圖 互為熱平衡的兩熱力學系統(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（熱運動最）的能最相等（）式是參數(shù)入的函數(shù)，即a為熱平衡的熱力學系統(tǒng)有個相等的函數(shù)（態(tài)函數(shù)）根據(jù)熱力學第冬泄律，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)學上簡單地農(nóng)述了熱力學第零定律,（）式可作為熱力學第零定律的數(shù)學衣述溫標的建

6、立理論上冇了溫度概念的定義，但在實用上我們采用的是溫標，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)共有的個態(tài)函數(shù)（狀態(tài)的單值函數(shù)），因 此，我們有理由認為與Z間存在正比關(guān)系我們只要選擇適當?shù)膯挝?則常數(shù)即可為在后面的論述屮我們將說明在國際單位制中，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)定水的三相點為參考點，建立理想氣體溫標 同樣，也可建立起 熱力學溫標討論）宙于熱力學研究的是熱運動的加觀規(guī)律因此在理論上tf先引入描述熱運動的広觀物理晟熱 運動最。是介理的引入的。必定是熱現(xiàn)象所特冇的帚，就像力學理論中首先引入力和質(zhì)最等物理帚，電 學理論中引入電場強度物理最-樣）

7、。為描述熱運動的個駅，而熱力學是從広觀上研究熱現(xiàn)彖的 門理論，因此熱力學中并不能很 好理解O的微觀意義，只能說它是系統(tǒng)熱運動大小的個最度）統(tǒng)計物理學是冃前物理理論體系中最完美的理論，愛因斯坦也給予了極高的評價 它獨立于熱力 學理論，從微觀角度研究了熱運動問題 我們在這里引入的描述熱運動的就6其意義就是統(tǒng)計物理中微 觀狀態(tài)數(shù)對應(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： 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，從熱力學角度可以看出，宏觀物理冷爛反映了系統(tǒng)熱運動的大小結(jié)束語我們朿新賦

8、予了溫度概念一個確切表述，并給出簡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)有理論并無矛盾之處,并不需對現(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)的微觀粒子無規(guī)則熱運動的平均能量由于能最在相對論變換中L1冇結(jié)論，而爛表征了系統(tǒng)的澈觀狀態(tài)數(shù)，數(shù)是相對論變換中的不變帚 這 樣，以上我們對溫度的定義將有町能解決溫度的相對論變換問題的長期爭論,為相對論熱力學理論的 建立提供了i個更為堅實的基礎(chǔ)© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights r

9、eserved, 海南師范人學學報口然科學版參考文獻：伯克利物理學教程統(tǒng)計物理學周世勛譯北京科F擊版社汪志減熱力學統(tǒng)計物理版 北京高等教廳出版杜鄒邦銀熱力7與分子物理學試漢:華中師范大學出版社：張鎮(zhèn)九相對論物理學 武漢華中師范大學出版社Jincij道e 栗界席茲統(tǒng)計物理學楊訓(xùn)愷譯北京人民教仃出版社談鎬生關(guān)于相對論熱力學中的溫度變換 中國科學光濤輻射功率不變性和溫度洛侖茲變換科學通報© 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） 參考文獻：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 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟（）L付道明張利桃中國教仃電視的研究現(xiàn)狀號發(fā)展趙勢電化教戸研究（）