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热力学第零定律和温标在大学物理学中的应用

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:温度是热力学中一个非常重要和特殊的态参量,用来表征物体的冷热程度,但冷热取决于人们对物体的直接感觉,这种感觉往往是不准确的.例如,在寒冷的冬天,用手触摸温度相等的铁球和木球,会明显感觉到铁球要比木球冷,其原因不在于物体本身的温度,而在于两种物质导热能力的差异.这种建立在主观感觉上的概念,注定要被严格而科学的定义取代.假设有两个热力学系统,原来各自处于平衡态,现使两个系统相互接触并能发生传热(称热接

热力学第零定律和温标在大学物理学中的应用

温度是热力学中一个非常重要和特殊的态参量,用来表征物体的冷热程度,但冷热取决于人们对物体的直接感觉,这种感觉往往是不准确的.例如,在寒冷的冬天,用手触摸温度相等的铁球和木球,会明显感觉到铁球要比木球冷,其原因不在于物体本身的温度,而在于两种物质导热能力的差异.这种建立在主观感觉上的概念,注定要被严格而科学的定义取代.

假设有两个热力学系统,原来各自处于平衡态,现使两个系统相互接触并能发生传热(称热接触),热接触后的两个系统的状态一般都将发生变化,但经过一段时间后,两个系统的状态便不再变化,这表明两个系统最终达到了一个共同的平衡态.由于这种共同的平衡态是两个系统在发生传热的条件下达到的,所以称二者处于热平衡.当然,两个系统即使不进行热接触也能达到热平衡,热接触仅仅为热平衡提供了一定的条件而已.

现在考虑A、B、C 三个系统,将系统A 和系统B 分别与热源C 接触,经过足够长的时间后,A 和B 分别与C 达到了热平衡,然后再将A 和B 接触,这时我们观察不到A 和B 状态发生任何变化,这表明A 和B 也已处于热平衡.这一实验规律称为热力学第零定律,表述为:如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡,则这两个系统也必然处于热平衡.

热力学第零定律说明,互为热平衡的物体必然具有共同的宏观性质.定义这个决定一系统与其他系统是否处于热平衡的宏观性质为温度,它的特征就是一切互为热平衡的系统都具有共同的温度.

热力学第零定律的重要性不仅在于给出了温度的定义,而且指出了温度的测量方法.可以选择适当的系统作为温度计,测量时使温度计与待测系统热接触,当二者达到热平衡时,温度计所指示的温度就是待测系统的温度.要定量描述温度,还必须给出温度的数值表示法——温标.同一温度在不同的温标中具有不同的数值.在日常生活中常用的一种温标是摄氏温标,用t 表示,其单位为摄氏度(℃),人们将水的冰点定义为摄氏温标的0 ℃,水的沸点定义为摄氏温标的100 ℃,并将冰点温度和沸点温度之差的1%规定为1 ℃.科学技术领域常用的是另一种温标,称为热力学温标,也叫开尔文温标,用T 表示,它在国际单位制中的名称为开尔文,简称开(K).这种温标是不依赖于任何测温物质和测温属性的理想温标,它避免了测温物质和测温属性对测量温度的影响.它规定水的三相点温度为273.16 K.(www.xing528.com)

热力学温标的刻度单位与摄氏温标相同,它们之间的换算关系为

即热力学温标规定273.15 K 为摄氏温标的零度.

温度没有上限,却有下限,温度的下限是热力学温标的绝对零度.温度可以无限接近于0 K,但永远不能达到0 K.目前实验室能够达到的最低温度为2.4×10-11K.

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