熱力學溫度

一張包含熱力學溫度的圖表

熱力學溫度是溫度的絕對測量量，是熱力學的主要參數之一。

熱力學溫度由熱力學第二定律定義，理論最低溫度為零點。在稱為絕對零度該點上，物質的粒子構成具有最小運動。在量子力學的描述中，絕對零度下的物質處於其基態，該狀態下其能量最低。熱力學溫度因此也常被稱為絕對溫度。

國際單位制指定熱力學溫標為熱力學溫度的計量標度，並選擇水的三相點273.16K作為基點。歷史上一直在使用其他標準。使用華氏度作為單位間隔的朗肯溫標，在美國的某些工程領域仍然用作英制工程單位的一部分。 ITS-90給出了一個以非常高的精確度估計熱力學溫度的實用方法。 大體上，體靜止時的溫度是一種計量物質的粒子構成如分子，原子，亞原子粒子的平動、振動和轉動的能量的方法。所有的這些運動的動能和粒子的勢能，有時還包括某些其他類型的等效粒子能量構成物體的總內能。在物體不受外力或外力對其不做功的條件下，內能可以被不嚴格地稱作熱能。內能可以以多種方式存儲於一種物質內，每種構成一個「自由度」。每個自由度有相同的能量平均值$k_{B}T/2$（$k_{B}$為波爾茲曼常數），除非其處於量子體系。內部自由度（轉動，振動等）適用於室溫下的量子體系，平動自由度適用於經典體系，除了在極低的溫度（開爾文的分數）下。大多數情況下，熱力學溫度由粒子的平均平動動能確定。

發展史

1702–1703

紀堯姆·阿蒙頓（Guillaume Amontons，1663–1705）發表了兩篇論文，是第一個推論出絕對零度（熱力學溫標）的科學家。

他在改進空氣溫度計時發現了這一點。 他的 J 管溫度計由一個水銀柱組成，該水銀柱由溫度計傳感部分內捕獲的固定空氣質量支撐。從熱力學角度來看，他的溫度計依賴於恆定壓力下氣體的體積/溫度關係。

他對水沸點和冰熔點的測量表明，無論溫度計內滯留的空氣質素或空氣所承載的汞的重量如何，冰點處空氣體積的減少始終是相同的比率 。 這一觀察結果使他推測，溫度的充分降低將使空氣量減少到零。

事實上，他的計算預測絕對零度相當於-240°C，僅比真實值-273.15°C高33.15°C。

阿蒙頓關於絕對溫度和絕對壓力之間一對一關係的發現在一個世紀後被重新發現，並由蓋-呂薩克在科學界推廣。 如今，這一熱力學原理通常被稱為蓋-呂薩克定律，但也被稱為阿蒙頓定律。

1742

安德斯·攝爾修斯（1701-1744）創建了現代攝氏溫標的「向後」版本。 在攝氏度的原始標度中，0 代表水的沸點，100 代表冰的熔點。 在他的論文《溫度計上兩個持續度的觀察》中，他講述了他的實驗，表明冰的熔點實際上不受壓力的影響。 他還非常精確地確定了水的沸點如何隨大氣壓變化。 他提議，他的溫標-水的沸點為零，將根據海平面的平均氣壓進行校準。

1744

與安德斯·攝爾修斯同時代的著名植物學家卡爾·林奈（1707-1778）在收到他的第一個溫度計後，實際上顛倒了攝氏溫度計的刻度，其中0度代表冰的熔點，100度代表水的沸點。

用於他的溫室的定製林奈溫度計是由當時瑞典領先的科學儀器製造商 Daniel Ekström 製造的。 在接下來的 204 年裏，全世界的科學界和測溫界都將這一尺度稱為攝氏度。

攝氏溫標的溫度通常簡單地報告為度，或者當需要更大的特異性時，報告為攝氏度。 該標度上溫度值的符號是°C。

由於「攝氏度」一詞也是法語中角度測量單位（直角的百分之一）的名稱，並且在其他語言中具有類似的含義，因此當非常精確、明確的語言表達時，國際計量局(BIPM) 要求應使用術語「百分度（centesimal degree）」，而不是攝氏度。

1948年第九屆國際度量衡大會（CGPM）和國際度量衡委員會（CIPM）正式通過攝氏度的符號為°C。

1777

約翰·海因里希·朗伯 (Johann Heinrich Lambert，1728-1777)，在他去世前四個月完成的書《高溫測量》中，提出了基於壓力/溫度關係的熱力學溫標固定體積的氣體。 這與紀堯姆·阿蒙頓75 年前發現的恆壓下氣體的體積/溫度關係不同。 約翰·海因里希·朗伯指出，絕對零度是簡單直線外推達到零氣壓的點，等於-270°C。

註解

In the following notes, wherever numeric equalities are shown in concise form, such as 7043185487000000000♠1.85487(14)×10⁴³, the two digits between the parentheses denotes the uncertainty at 1-σ (1 standard deviation, 68% confidence level) in the two least significant digits of the significand.

外部連結

• Kinetic Molecular Theory of Gases. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） An explanation (with interactive animations) of the kinetic motion of molecules and how it affects matter. By David N. Blauch, Department of Chemistry （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Davidson College.
• Zero Point Energy and Zero Point Field. （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） A Web site with in-depth explanations of a variety of quantum effects. By Bernard Haisch, of Calphysics Institute （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.