室温这个概念,相信你们都十分熟悉,比如,明天的温度多少、冰淇淋是冷的,沸水是热的。没错,相信许多人的认识中,室温就是冷热的一个衡量称量。气温高,就是热;气温低,就是冷。这是生活中的常识,我们不能说它错了。
这么,“温度”的科学定义是哪些呢?昨天为何要讨论下“温度”的本质呢?
首先,我们来瞧瞧“温度”这个概念的重要性。我们重温下知名鼎鼎的热力学三大定理:
热力学三大定理中,有两个就与“温度”直接描述。可见,气温在整个热力学科学中的重要性。这么,“温度”的科学定义是哪些呢?
1、维基百科的定义
室温是表示物体冷热程度的数学量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
前半句是宏观描述“温度”,这个普通老百姓都能理解。后半句是微观讲。这么,这儿就有了热力学的另外一个名词“热运动”。哪些是热运动呢?
热运动是指一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。这么分子为何会在不停地做无规则运动呢?
那是由于分子具有动能,为何分子具有动能?那是由于分子由电子和原子核组成,而原子核由质子,中子构成,再细分下去,还有夸克(这个老曾我不确定能不能继续细分下去了,在细分下去才会引出为何宇宙中会出现夸克,是哪些造成它存在?是无中生有吗?还是爱恩斯坦的能量质量转换公式?这么能量又是哪些玩意儿?能量长哪些样子?能量的尺度和重量多少?为何存在能量呢?好了,不能再说下去了,有兴趣自己问下去吧。追问究竟就是哲学问题了,有与无,存在与不存在的问题。不就是聊气温嘛,如何聊到终极哲学问题呢,再参下去,都会扯到宗教一些看法了,不能说了。)。正是因为这种构成分子的粒子形成弱核力、电磁力、引力、强力,造成分子不停运动。为何有这四个基本力?这个自己去找答案吧,早已离题很远很远了。
微观分子的热运动如何和宏观表现的气温关联的呢?——玻尔兹曼常数
其中,v是分子运动速率,并且是分子的不同自由度的运动,包括上下左右自转运动。k就是课堂上常看到并且又不知其内在涵义的玻尔兹曼常数了。T就是体温了。从这个公式看,分子运动速率和气温成反比,而分子运动速率就是分子剧烈程度的表现。
好了,到了这儿,应当就明白后半句“微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。”的内在涵义了。随意说下,大名鼎鼎的理想二氧化碳状态多项式PV=nRT可以从前面的公式推出来哦。
从里面公式看,当分子运动速率为0时,气温就是0k(也称绝对零度)。这个绝对零度,就是-273.15℃,这个数字是实验和理论都能得到,自己找找书看。反过来,在绝对零度下,分子不动,这时侯的物质表现为完美晶体。这么绝对零度能存在吗?分子上面的电子、质子、中子等等,可能让它们静止不动吗?
前面定义说,“微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。”那么物体分子热运动的剧烈程度,在真空中,是不存在分子的,这么真空本身有体温吗?真空的气温是如何定义?
里面公式和定义是基于统计学得到的,就是大量分子一起的结果。这么,一个分子有没有气温?它的湿度又是怎样测试,怎么分布?
里面的疑惑,要看热力学是怎样定义“温度”的。
2、热力学第零定理的定义
热力学第零定理:若两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态(体温相同),此两个系统也必互交往于热平衡。
热力学第零定理(英文:Lawof),又称热平衡定理,是热力学的四条基本定理之一,是一个关于相互接触的物体在热平衡时的描述,以及为气温提供理论基础。
第零定理的聪明之处在于,定义了气温是一个态函数,并且没限定是分子,而是用“系统”一词来评判!小到分子,原子,夸克,大到月球、宇宙等等,都可以界定为一个个系统物体分子热运动的剧烈程度,系统没有大小之分。在数学学上,真空是不空,不存在分子,而且存在光子、辐射线等等。这样,就可以为上面疑惑的“温度”定义提供挺好的审视形式了。
热力学第零定理的重要性在于它给出了体温的定义和湿度的检测方式。定理中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为构建气温概念提供了实验基础。这个定理反映出:处在同一热平衡状态的所有的热力学系统都具有一个共同的宏观特点,这一特点是由这种互为热平衡系统的状态所决定的一个数值相等的状态函数,这个状态函数被定义为室温。而气温相等是热平衡之必要的条件。
比如,体温计就是根据此定理制造下来。体温计就是第零定理中的“第三个系统”。
第零定理没有给出室温的具体物理公式,而是依赖你选择的系统。这样就没有给“温度”概念设置范围,致使“温度”一词高度具象。总之你要检测“温度”,那就得找到一个“第三方系统”。这个,我们如今几乎所有的测温形式都是采用第三方作为工具检测,如体温计。
说到这,老曾认为,两个定义都有道理,第一个给出了分子在统计学上的“温度”计算物理公式。第二个就给出了体温的基础,适用范围更广泛。并且,老曾认为到目前为止,“温度”依然没有最科学的定义。你觉得呢?
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