热力学中温度的定义.pdfVIP

第 20卷第 2期 海南师范大学学报 (自然科学版) Vo1.20No.2 2007年6月 JournalofHainanNormalUniversity(NaturalScience) Jun.2007 热力学中温度的定义 张福恒，刘晓慈 （海南师范大学物理系，海南 海口 571158） 摘 要：从热运动这一基本事实出发，引入了描述热运动的物理量 σ，从宏观的角度重新定 义了温度的概念，并给出了热力学第零定律的数学表述:温度是热力学系统单位热运动量的能 量，它与现有理论并无矛盾，并具有清晰的物理意义. 关键词：热运动；热运动量；温度的定义；熵；能量 中图分类号：O414 文献标识码：A 文章编号：1671-8747（2007）02-0142-03 ［1，2］ 在早期的热力学理论中，温度并没有给出明确的定义，甚至在一些名著中也没给出温度的明确定义 . 在19世纪热力学理论建立过程中，温度的概念仅凭经验直接引入到理论中，在热力学理论基本建立后，才 发现温度这一基本问题并没有定义.因此，在热力学第一定律和热力学第二定律建立80年后的20世纪30 年代才发现了热平衡定律，从逻辑上讲，只能称之为热力学第零定律了.由热力学第零定律，从中定义了温 ［3］ 度是互为热平衡的物体所具有的一个相等的态函数 .或者说，处于同一热平衡状态的所有热力学系统都 ［4］ 具有一个共同的宏观性质，表征这一宏观性质的物理量就定义为温度 .这些定义显然较为抽象，在理解和 应用上，容易忽视了温度与能量的联系.所以，要不断强调温度的微观意义及温度的统计意义，因其同时也 影响了至今仍未统一认识的相对论热力学理论的建立［5］.这说明温度概念的建立经历了一个长期的理论和 实践的探索.本文从热运动这一基本事实出发，重新定义温度的概念，并给出热力学第零定律的数学表述. 新定义与现有理论并无矛盾，仅相差一个比例系数.一个系数之差，在物理理论上并不影响整个理论体系， 只要适当选择单位制即可消去此系数. 1 温度的新定义 热力学研究的对象是由大量无规则运动的微观粒子组成的系统.大量微观粒子的无规则运动称为热 运动，热力学就是研究热运动所表现出来的宏观规律的. 为了描述大量微观粒子无规则运动这一热现象，必须引入一个热运动宏观状态所特有的量，这个量我 们用 σ来表示，称为热运动量.处于热平衡态的系统，即表现了系统热运动的宏观状态（微观状态的统计 平均）处于一确定值.因此，热运动量 σ是反映热运动大小的一个无量纲的状态函数.由于热运动是大量 微观粒子的无规则运动，因此系统的热运动量 σ是一个广延量.后面的论述将说明 σ是与熵联系的，这 里，我们不妨直接称 σ为熵. 下面我们从热运动这一事实出发，给出温度的定义：温度是热平衡系统单位熵的能量. 论述证明：如图1所示，在相对系统质心静止的参考系中，有两个热接触并处于热平衡的系统Ⅰ和Ⅱ， 其能量分别为U和U，熵分别为 σ和 σ.两系统构成一处于热平衡的孤立系统（P，V），其能量为U，熵为 1 2 1 2 σ .由于 σ和U均为广延量，于是有 U=U +U， 1 2 收稿日期2007-01-19 : 第2期 张福恒等：热力学中温度的定义 143 σ=σ+σ. （P，V）