熱力學温度

熱力學温標是由威廉·湯姆森，第一代開爾文男爵於1848年利用熱力學第二定律的推論卡諾定理引入的。它是一個純理論上的温標，因為它與測温物質的屬性無關。符號T，單位K（開爾文，簡稱開）。國際單位制（SI）的7個基本量之一，熱力學温標的標度，符號為T。根據熱力學原理得出，測量熱力學温度，採用國際實用温標。熱力學温度舊稱絕對温度（absolute temperature）。單位是“開爾文”，英文是“Kelvin”簡稱“開”，國際代號“K”，但不加“°”來表示温度。開爾文是為了紀念英國物理學家Lord Kelvin而命名的。以絕對零度（0K）為最低温度，規定水的三相點的温度為273.16K，開定義為水三相點熱力學温度的1/273.16。

攝氏度為表示攝氏温度時代替開的一個專門名稱。而水的三相點温度為0.01攝氏度。因此熱力學温度T與人們慣用的攝氏温度t的關係是：T（K）=273.15+t(℃)。規定熱力學温度的單位開（K)與攝氏温度的單位攝氏度（℃)的平均值完全相同。所以

K =

℃。在表示温度差和温度間隔時，用K和用℃的值相同。

2018年11月16日，國際計量大會通過決議，1開爾文定義為“對應玻爾茲曼常數為1.380649×10-23J·K-1

(1.380649×10-23kg·m2·s-2·K-1)時的熱力學温度”。 ^[1] 

表達式為：T=t+273.15℃

T是熱力學温標t是攝氏温標

它的由來是這樣的：

一定質量的氣體在體積不變的情況下温度每升高（或降低）1℃增加（或減少）的壓強值等於它在0℃時壓強的1/273用公式表示為

p=p0(1+t/273)

其中p0是0℃時氣體的壓強

後來開爾文引入了“絕對零度”的概念，即温度到達0K即-273℃氣體便停止了一切的運動

後來它被推廣到了T=t+273.15℃

經典熱力學中的温度沒有極限高温度的概念，只有理論最低温度“絕對零度”。熱力學第三定律指出，“絕對零度”是無法通過有限次步驟達到的。在統計熱力學中，温度被賦予了新的物理概念——描述體系內能隨體系混亂度（即熵）變化率的強度性質熱力學量。由此開創了“熱力學負温度區”的全新理論領域。通常我們生存的環境和研究的體系都是擁有無限量子態的體系，在這類體系中，內能總是隨混亂度的增加而增加，因而是不存在負熱力學温度的。而少數擁有有限量子態的體系，如激光發生晶體，當持續提高體系內能，直到體系混亂度已經不隨內能變化而變化的時候，就達到了無窮大温度，此時再進一步提高體系內能，即達到所謂“粒子布居反轉”的狀態下，內能是隨混亂度的減少而增加的，因而此時的熱力學温度為負值！但是這裏的負温度和正温度之間不存在經典的代數關係，負温度反而是比正温度更高的一個温度！經過量子統計力學擴充的温標概念為：無限量子態體系：正絕對零度<正温度<正無窮大温度，有限量子態體系：正絕對零度<正温度<正無窮大温度=負無窮大温度<負温度<負絕對零度。正、負絕對零度分別是有限量子態體系熱力學温度的下限和上限，均不可通過有限次步驟達到。

開爾文是因英國科學家開爾文勳爵的姓氏而得名的熱力學温度單位。1848年，英國科學家威廉·湯姆遜（開爾文勳爵）首先提出“熱力學温度”理論，並很快得到國際上的承認。1854年，威廉·湯姆遜提出，只要選定一個固定點，就能確定熱力學温度的單位。 ^[2] 

早在1787年法國物理學家查理（J.Charles）就發現，在壓力一定時，温度每升高1℃，一定量氣體的體積的增加值（膨脹率）是一個定值，體積膨脹量與温度呈線性關係。起初的實驗得出該定值為氣體在0℃時的體積的1/269，後來經許多人歷經幾十年的實驗修正，其中特別是1802年法國人蓋·呂薩克（J.L.Gay-Lussac）的工作，最後確定該值1/273.15。將上述氣體體積與温度的關係用公式來表示，形式如下：

V=V₀（1+t/273.15）=V₀（t+273.15）/273.15

式中V是攝氏温度為t/℃時的氣體體積。若定義t+273.15≡T（於是0℃+273.15=T0），上述關係就可以用形式更簡單的公式來表達：V/T=V₀/T₀，進一步看，V₁/T₁=V₀/T₀，V₂/T₂=V₀/T₀，自然有V₁/T₁=V₂/T₂，即在任何温度下一定量的氣體，在壓力一定時，氣體的體積V與用T為温標表示的温度成正比。這叫做查理-蓋·呂薩克定律。事實上這種關係只適用於理想氣體。為此，人們起先把T稱為理想氣體温度（温標），又叫絕對温度（温標）。在熱力學形成後，發現該温標有更深刻的物理意義，特別是克勞修斯（Claosius）和開爾文（Kelvin）論證了絕對零度不可達到，便改稱熱力學温度（温標），並用Kelvin第一個字母K為其單位。物體的温度是構成物體的大量微粒運動（熱運動）的激烈程度的宏觀體現。

當前，主要的熱力學温度測定方法有：定壓氣體温度計法、氣體聲學温度計法、輻射温度計法（包括光譜輻射温度計和全輻射温度計）、介電常數温度計法、噪聲温度計法等，不同原理的熱力學温度測定方法受自身條件的限制，適用於不同的温度區間，與氣體折射率基準温度計測温區間相重合的主要是聲學温度計。 ^[3] 

從熱力學基本關係式((e)S/(e)U)v=1/T和Boltzmann分佈式N2/N1=exp(-ε/kT)説明了熱力學温度不僅可以有正值，還可以存在負值。以核自旋平衡體系為實例指出了負温度存在的必要條件：必須是一個能量(或能級)有上限的熱平衡體系，與環境絕熱隔離，且還需藉助於一定的外力作用。 ^[4]