理想气体常数,理想气体方程pVnRT


温度是宏观物质系统的一个固有属性,这是经验的总结。温标则是为了度量温度而在物态方程中具体显现的量度,人为的规定是必要的。绝对温度则揭示了宇宙间一种绝对的存在,它如同数学中的绝对值,不依赖于任何具体的物质或系统。绝对零度,作为一种理论的真实,代表着物质系统的最低能量状态。

图1展示了抗疫期间都在量体情景。那么,究竟什么是温度呢?

温度并不是一个单纯可以测量的量,它涉及到对物质状态的一种综合描述。在物理学的角度上,我们可以通过计量仪器来测量温度,如温度计。所测量的并不是温度本身,而是与温度相关的物理量,如水银柱的长度、辐射通量等。从这个意义上说,温度是一个抽象的概念。在测量温度的过程中,我们依赖的是一点哲学思辨。

测量温度与吃水果的比喻形象地表达了这种抽象与具体的关系。水果是抽象的,但我们可以通过具体的苹果、樱桃等来理解和接近它。同样地,温度虽然是抽象的,但我们可以通过温度计等具体的工具来测量和了解它。

根据考证[1],早在16世纪就出现了温度计一词,而真正区分温度和热度的概念则是在18世纪。爱因斯坦在评论这一发展时指出:“在描述热现象时,最基本的概念是温度和热。在科学史中,区分这两者花费了相当长的时间,但一旦区分清楚,科学的进步就迅速发生了。”

理解热和温度的差别对于初学者来说是一个有益的入门点。基于牛顿力学和其他物理原理,我们可以建立起描述气体分子运动的模型,进而理解温度的概念。对于更深入的理解,我们需要更高级的数学工具和物理理论,如概率论和量子力学。

杨振宁先生在讨论教学时强调了教材中温标定义的缺失。他认为,教材中应当明确阐述绝对温度的概念,并强调其在物理学中的重要性。这也是我们在教学和研究中应当重视的问题。

热力学中的温度是一个第一性的概念,它是描述物质状态的基础。与之相比,统计物理中的温度则是第二性的,它是通过推导和推理得到的。尽管统计物理提供了更深入的微观理解,但热力学的普适性使其在更广泛的领域中具有应用价值。

对于具体的物质系统,我们通过物态方程来描述其与温度的关系。例如,对于气体,我们可以通过玻意耳定律等实验定律来建立其与温度的关系。更重要的是理解这些实验定律背后的普适原理,如热力学第二定律等。

在计量温度时,我们需要注意温标的选择和定义。不同的温标有不同的应用场景和优缺点。选择和使用适当的温标是准确测量温度的关键。我们也要意识到温标的定义与具体的物质系统有关,但绝对温度的存在则是一种超越具体物质的更基本的属性。

最后需要提到的是热力学第三定律以及绝对零度的概念。这一定律指出了没有物质可以达到绝对零度的情况。这一深刻的后果不仅影响了我们对真空的理解,也为量子场论、引力场、暗物质、暗能量等领域留下了深远的影响。

温度是一个既抽象又具体的概念。它既是宏观物质系统的固有属性,也是我们理解和描述物质状态的重要工具。在科学研究和教学中,我们应当重视对温度及其相关概念的理解和应用。

参考文献

[1] 见相关物理学教材及文献资料

[2] Einstein A, Infeld L. The Evolution of Physics. 如前所述

[3] Cowan B. Topics in Statistical Mechanics. 如前所述