”温度到底是什么?热统考试的时候,陈仙辉老师(陈老师估计也没想那么多,这道题就是让某些平时不来上课同学及格的一个理由)出了一道题,说当尺度非常小的时候,如果温度还和粒子的平均平动动能有关,那有的地方没有原子,怎么办,难道温度为0?
温度是否是只适用于介观尺度的概念,只是统计上的概念?但是第零定律定义温度时并没有限制温度的概念空间尺度的适用范围啊?这是我多年之后才觉得这道题有问题的地方,当时根本没有想那么多。
因为我当时一直认为温度就是组成物质的原子的热运动剧烈程度的表征量。所以我当时想当然回答说,真空下无法定义温度?。
后来我重新扫了一遍热学教材,又查了一下知乎,看了知友的回答,这些回答都比我原先对温度的理解要全面很多。我现在对温度的理解可能也很幼稚,但我试着说一下我的观点。
热力学第零定律,是温度定义的关键。说达到热平衡的两个系统之间,必定存在一个相等的态函数。这个态函数就是温度。
很多知友对温度定义的回答,都是给出公式,私以为这些都不是温度最准确的定义。温度最准确的定义应该就是热力学第零定律。数学公式不是万能的,不同系统温度的表达式不一样,因为温度是态函数。每种系统的状态参量可能选取的不同,就算同一系统也可以选取不同的状态参量,你用公式定义温度,就只能针对具体系统而言,而热力学第零定律巧妙的绕过这个问题,更加一般,即便发现什么新的系统,温度概念还是适用的。
先考虑一下,真空中是否有温度的概念,因为物理上真空不空,所以真空也可以看成是一个体系,热力学第零定律还是适用的。其次有限空间中的电子是非局域的,并不能看成是粒子。而且辐射总是存在的,至少有光子。我们可以看到,理想气体模型,真的是理想中的理想。热学中特别强调最小尺度,认为统计力学有其适用的范围,但是温度概念从第零定律看好像并没有最小尺度的空间限制。理想气体忽略了气体粒子自身的大小,无论多小的空间你都可以塞入足够的粒子,虽然此时按状态方程,压强会是一个很大的值,但是理论上还是可以用理想气体来定义无论多小空间尺度下的温度概念(这个说法只是用来对温度的适用尺度逻辑上的发难,并不考虑模型是否适用于具体体系,因为压强会很大)。
温度这个概念,很深邃,很奇妙。它和第零定律直接相关,第二定律给出热力学温标,第三定律说绝对温度不可能达到(热力学定律怎么编号记不太清了)。温度的定义用第零定律给出,妙就妙在它没有给出具体的表达式。所以我们谈温度的时候,十分依赖于不同体系特征,和我们所选的体系模型。模型有适用范围,温度概念是高度理想的抽象概念,比模型更一般。
我其实还是没能很清楚的明白温度,第零定律给出温度的定义是一定的,其他的理解就当我是胡扯吧,但愿我的观点能给那些学习热学的同学一些启发。
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根据 @葛文博 的评论,我补充几点:
1.热力学是唯象的理论。
2.唯象的理论可以给出一个概念的准确定义,因为指出了概念的本质属性。(这是我和知友的本质分歧,这个感觉就偏哲学了,不知道可不可以作为问题在知乎上问)
3.热力学第零定律没有给出温度的全部内涵?(对“内涵”这个词,我也不是很清楚,拿来随便用的)。也就是说具体模型给出来温度表达式,指出温度达到平衡的机制,但这个模型是建立在具体理论上的,有适用范围。我也是从这点上认为“唯象”的第零定律“定义”温度更加“准确”。
4.仍旧坚持,第零定律是“温度”的“准确”的“定义”。
5.以上观点源于我“自圆其说”的本能,不保证其正确性。但我接受任何形式的发难,捍卫立场并承认错误。
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这些例子也能说明我的观点。
比方说气体动理论是温度的一种微观解释,是不唯象的。用它定义温度准确吗?但是它只能定义温度大于零,负温度怎么定义?
当然肯定有理论更进一步,正负温度都统一起来。但是又必须保证这样的一个理论是究极的理论,谁又能保证呢?
用第零定律就不会有什么的问题。
从逻辑上不赞同一些回答,打个比方,问人的准确的定义是什么?回答说,有白人,黑人,黄种人等。这有答非所问的嫌疑吧?
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