生活中,温度指导我们穿衣戴帽。温度是物体内部粒子运动热能的显示。温度是连接宏观物体和物质微观属性的纽带。什么是温度?
词语一旦被漫天使用就会发生变形,失去意义。“温度”这个词就是如此,它被广泛使用之际,正是其本质被掏空、与外界作用发生混淆之时。温度常被与热度甚至能量混为一谈,更有甚者还把温度与脾气性格搅在一起。
对物理学家来说,温度是描写一个介质的常用度量标准。温度到底测量什么?温度测量物质内部粒子运动的平均热能,即对单质的原子运动热能以及化合物的分子运动热能的测量。物理学家根据温度能对构成物体的粒子状态做出判断,同时也能对在微观层面保证物质聚合的作用力做出分析。总之,通过对物体温度的测量,可以对物体内部的原子做出探查。无需破坏物体的外表,也不需求助显微镜……这是在物质内部实施迂回策略的艺术和手段。
当代的物理学家对此已经驾轻就熟。然而,这是人类经过两个世纪的不懈思考才做到的。把温度定义为测量粒子运动平均热能的度量单位,这对一个世纪前的老实人来说会是一种观念的冲击。什么粒子?什么运动热能?他们会说,“温度就是对热交换意义的确定”。其实,在19世纪上半叶,头脑最灵活的物理学家们始终被一个问题所困扰:如何改进热机?换句话说,如何让一堆煤给人带来最大的收益?1824年,法国工程师萨迪·卡诺(Sadi Carnot)在其著作中提出理想热机理论。按照卡诺原理,热在高温热源和低温冷源之间循环。大约20年后,詹姆斯-普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule)提出了能量守恒原理。焦耳是啤酒酿造商的儿子,他掌握了高超的啤酒酿造技术。但是,对温度概念和温度性质的深刻揭示还离不开日后威廉·汤姆森(William Thomson)(后被册封为开尔文勋爵)的热力学研究。能否谈论一个孤立原子的
温度?
不能。在人类发现原子之前,奥地利人路德维希·玻尔兹曼(Ludwing Boltzmann)提出“物质的微观属性决定物体的性质”假说,这一假说是联系无限小和宏观事物的纽带,是现代热力学建立的基础。然而,一个孤立原子的温度却没有什么意义,这就是悖论所在。
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