热力学温度

国际单位制的基本量之一

0有用+1

热力学温度，又称绝对温度，符号为T，是热力学温标下的温度表示。热力学温度是国际单位制（SI制）的七个基本量之一。其单位为开尔文（Kelvin），简称开，符号为K。

热力学温度是温度的绝对测量量，描述了客观世界真实的温度，宏观上表示物体的冷热程度，微观上则表示物体分子热运动的剧烈程度。早时，国际单位制规定水的三相点的热力学温度为273.16 K，以绝对零度（0 K）为最低温度，1开尔文定义为水的三相点的热力学温度的1/273.16。2019年5月20日起，1开尔文被定义为“对应玻尔兹曼常数为1.380649×10-23J·Κ-1的热力学温度”。热力学温度的测量量与测温物质及其物理属性无关，热力学温标是一种理想温标。热力学温标是由第一代开尔文男爵威廉·汤姆森于1848年利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入的。现在已成为热力学和统计物理的重要参数之一。

热力学温标与摄氏温标有以下的换算关系： Τ/Κ-273.15=t/℃，其中t为摄氏温标。

中文名: 热力学温度
外文名: thermodynamic temperature
别名: 绝对温度，开尔文温度
符号: T

单位: 开尔文（K）
提出者: 开尔文勋爵/威廉·汤姆逊
提出时间: 1848年
应用学科: 物理学，化学，工程学，材料科学，地球科学，生物科学，航空航天等

定义

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热力学温度垫祝催，符号为辣局渗危坑润垫禁腊T，是热力学付淋签才温标下的温度标示，宏观上表示物体的冷热程度，微观上则表示物体分子热运动的剧烈程度。其单位为开尔文（Kelvin），简称开，符号为K。最低温度为0开尔文，即绝对零度，同时规定水的三相点的热力学温度为273.16 K。1开尔文定义为水的三相点的热力学温炼达迁度的1/273.16。2019年5月20日起，1开尔文被定义为“对应玻尔兹曼常数为

的热力学温度”。热力学温度的测量量与测温物质及其物理属性无关，热力学温标是一热市海种理想温标。

发展历史

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历史背景

1703年，纪尧姆·阿蒙顿（Guillaume Amonton）通过探究恒压下固定量的气体的体积-温度关系，第一个计算出绝对零度，在摄氏温标下，他的计算结果相当于-240℃。

1742年，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius）提出了摄氏温标。他规定“以0表示水的沸点，100表示水的冰点，其间分成一百等分，每等分为一度。”摄氏温标经过发展后，最终确定以标准大气压下水的沸点为100度，水的冰点为0度。

1777年，约翰·海因里希·朗伯（Johann Heinrich Lambert）在《高温测量》一书中，通过探究固定体积的稀薄气体的压强-温度关系（接近于线性关系），并指出绝对零度是简单直线外推达到零气压的点，等于-270℃。

十九世纪初，热力学第二定律发展起来，卡诺热机的模型也被建立起来，同时物理学需要一种不依赖于测温物质的比较客观的温标。热力学温标也就应运而生了。

发展阶段

1848年，开尔文勋爵威廉·汤姆森（William Thomson，First Baron Kelvin）在其论文《关于一种绝对温标》（"On an Absolute Thermometric Scale"）中写道，需要一种以“绝对的冷”（绝对零度）作为零点的温标，使用摄氏度作为其单位增量。^[1]

1954年，第10届国际计量大会（CGPM）第3号决议给出了热力学温标的现代定义，表明水的三相点为其第二定义点，并规定将其温度订定为273.15 K。^[2]

1967-1968年，第13届国际计量大会（CGPM）第3号决议将热力学温度的单位增量由“绝对度”更名为“开尔文”，同时，在第13届国际计量大会第4号决议指出“开尔文，热力学温度单位，等于水的三相点的热力学温度的

^[3]

2005年，国际计量委员会着手于重新定义开尔文，让它有一个更严格的定义。委员会提出，应重新定义开尔文，以使得波尔兹曼常数是一个定值。新定义提案于2018年11月16日通过，已于2019年5月20日起生效。^[4]

基本原理

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热力学温标是在热力学第二定律的基础上建立起来的。热力学第二定律有多种表述方式，较为著名的是开尔文表述和克劳修斯表述。开尔文指出：热不可能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。克劳修斯指出：不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响。热力学第二定律是热力学的基石之一，它作用于卡诺热机可以得到它的一个推论，即卡诺定理：工作于两个一定温度之间的一切可逆热机的效率与工作物质的性质无关，只与两个热源的温度有关。由此可以定义出一种不依赖于测温物质的理想温标。

理论推导

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根据卡诺定理，工作于两个一定温度之间的一切可逆热机的效率与工作物质的性质无关，只与两个热源的温度有关。设有温度为

、

的两个恒温热源，令一个可逆热机工作于这两个热源之间，在

处吸热

，在

处放热

，其效率与工作物质无关，只是

，

的函数，也就是有：

这里的

应是关于两个温度的普适函数，与工作物质的性质与吸放热的大小无关。

现在设另一个温度为

的热源，如下图所示，一可逆热机工作于

之间，在

处吸热

, 在

处放热

; 另一可逆热机工作于

之间, 在

处吸热

, 在

处放热

。

图1 热机工作示意图

对于这两个可逆热机，根据(1)式，同样有：

因为

所以由(1)、(2)和(3)式，可得：

可以为任意温度，它既然不出现在上式的左方，就一定会在上式右方的上面与下面相互消去。因此，再联立(1)式，(5)式可改写为

为另一个普适函数，函数形式与温标

的选取有关。开尔文引入温标T，令

，这样，(5)式改写为

温标T称为热力学温标。国际计量大会于1954年通过规定水的三相点的热力学温度为273.16 K完全确定了热力学温标。^[5]

应用领域

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科技领域

热力学温度T作为基本物理量之一，在公式表述与理论推导中占有举足轻重的地位，如：

能量均分定理：分子的每一个自由度都具有相同的平均动能，其值为kT。

理想气体物态方程：

克拉珀龙方程：

斯特藩-玻尔兹曼定律：

生活领域

生活中并不常用热力学温度，但是常用的摄氏度是由热力学温度导出的。摄氏温度与热力学温度之间有关系

℃

生产领域

热力学温度在生产领域的一个核心应用是作为标定温度的基准，确保生产过程中的温度控制准确无误。在生产过程中，许多步骤需要对温度进行精确控制，以确保产品质量和工艺流程的稳定性。热力学温度作为一个准确的温度标准，使得不同设备和系统之间的温度控制可以统一和标准化。除此之外，各种温度测量和控制设备需要定期校准，以保证其读数的准确性。热力学温度作为校准的参考点，帮助维护设备的精度。在产品研发和工艺优化过程中，对温度的精确控制是实验和测试的基础。热力学温度提供了一个可靠的温度基准，使得实验结果具有可比性和重复性。

负热力学温度

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从原则上来说，热力学并不排斥负热力学温度的可能性。1951年，珀赛尔(Purcell)和庞德(Pound)发现氟化锂(LiF)晶体中的核自旋系统可以处于负热力学温度状态。^[6]

由热力学公式

看出，如果熵(S)作为内能(E)的函数随E的增加而减小，可以出现负热力学温度。负热力学温度的一大特征是，处于高能级的粒子平均数多于处于低能级的粒子平均数，这种态称为粒子占据数反转态。从这种意义上来说，负热力学温度是比任何正温度都要高的温度。经过量子统计力学扩充的温标概念由下列比较关系给出。对于无限量子态体系：正绝对零度<正温度<正无穷大温度；对于有限量子态体系：正绝对零度<正温度<正无穷大温度=负无穷大温度<负温度<负绝对零度。正、负绝对零度分别是有限量子态体系热力学温度的下限和上限，均不可通过有限次步骤达到。