我在許多地方都讀到溫度是物體中存在的粒子的平均動能。我只是不直觀地了解動能與溫度之間的關係。那麼熱量與溫度如何联系?那麼溫度到底是什麼?網上給出的所有描述都很令人困惑。
我在許多地方都讀到溫度是物體中存在的粒子的平均動能。我只是不直觀地了解動能與溫度之間的關係。那麼熱量與溫度如何联系?那麼溫度到底是什麼?網上給出的所有描述都很令人困惑。
熱量是能量以物質流或功以外的形式傳入或傳出人體(有組織的能量傳遞,例如推動)。
溫度只是集體的明確定義的屬性體(例如,您將無法告訴我單個原子的溫度)。就像您說的那樣,它是物質的特性,描述了體內粒子的動能量。至於為什麼,我會問:在絕對值為0時會發生什麼?
在絕對值為0時,熱量已經從系統中轉移了太多,以至於您無法降低溫度
(知識淵博的讀者註意:確實仍然存在量子力學現象-零點能量-阻止某些能量離開分子,
根據熱力學的定義,溫度是對恆定體積(無論流入或流出)的封閉(無論流入還是流出)系統的內部能量隨熵的變化的描述:
$ T = \ left(\ frac {\ partial {U}} {\ partial {S}} \ right)_ {N,V} $ span>
通過將系統的熵增加固定量,系統的溫度告訴我內部能量將增加多少。現在,這不是一種非常有用的形式,因為您不能直接增加物體的熵(必須添加能量,然後使熵間接增加)。考慮逆溫度要有用得多:
$ \ frac {1} {T} = \ left(\ frac {\ partial {S}} { \ partial {U}} \ right)_ {N,V} $ span>
在絕對值為零時,一切都處於最低能量狀態。能量到系統的任何微小轉移都會導致熵的大幅增加。但這只是很小的變化,因此內部能量並沒有增加太多。與室溫下的系統相比,我必須向該系統傳遞更多的能量,以實現相同程度的熵增加。
溫度與動能
[OP:]我在很多地方都讀到溫度是物體中存在的顆粒的平均動能。 / p>
溫度與顆粒的平均動能有關,但是說兩個概念相同是不正確的。正確的是,如果兩個單原子氣體樣品中的顆粒具有相同的平均動能,則它們將具有相同的溫度。對於不是單原子氣體的樣品,請參見定義離子固體(例如疊氮化鈉)溫度的自由度是什麼?。
[OP:]我只是不直觀地了解動能與溫度的關係。
如果容器中有氣體(例如房間中的空氣),則氣體分子將與牆壁碰撞。如果牆壁的溫度低於氣體的溫度(例如冬天的冷窗玻璃),這些碰撞將平均降低氣體顆粒的速度,從而降低氣體的溫度。如果牆壁的溫度比氣體高(例如夏天的玻璃窗),這些碰撞將平均加快氣體顆粒的速度,從而提高氣體的溫度。因為能量(和彈性碰撞的動量)得到保存,所以氣體溫度的變化將反映在壁溫的相反變化中(變化的幅度將不相同,這取決於熱容量)。
熱量與溫度
[OP:]那麼熱量與溫度之間如何联系?
熱是熱能的傳遞。如果沒有其他反應,則從樣品A傳遞到樣品B的熱量將伴隨著溫度A的下降和溫度B的上升。另請參見: https://chemistry.stackexchange.com/a / 112057
溫度的定義
[OP:]那麼溫度到底是什麼?在網上給出的所有描述都非常令人困惑。
最簡單的說,就是將溫度計與樣品熱接觸後所進行的測量。溫度計的感應部分(汞或酒精燈泡,熱電偶等)必須達到與樣品相同的溫度。樣品應比傳感器大得多,以使它們接觸不會顯著改變樣品的溫度。溫度計測得的溫度等於樣品的溫度,因為它們處於熱平衡狀態(熱交換為零),並且溫度計具有隨溫度變化的某些屬性(例如酒精量),以感測其溫度。溫度。另請參見:溫度測量
溫度的定量定義在其SI單位開爾文的正式定義中給出:
開爾文,符號 $ K $ span>是熱力學溫度的SI單位。通過將玻爾茲曼常數k的固定數值表示為 $ \ pu {1.380649e-23} $ span>來定義,單位為 $ \ pu {JK-1} $ span>,等於 $ \ pu {kg m2 s-2 K-1} $ span >,其中千克,米和秒是根據 $ h $ span>, $ c $ span>和 $Δν_{Cs} $ span>。
此定義需要大量物理化學才能理解。但是,有時將其表示為:
一個開爾文等於熱力學溫度 $ T $ span>的變化,導致通過 $ \ pu {1.380 649e-23 J} $ span>改變熱能 $ kT $ span>。
因此,如果熱能(每個粒子的平均值,上面沒有提到)上升,則溫度上升。
溫度與動能有關,但不能簡單地等同於系統的平均動能。正如我在回答另一個答案時所寫的那樣,不同的系統可以具有不同的平均動能/粒子,但溫度相同。例如,在相同溫度下的平均雙原子氣體的動/能粒子大於單原子氣體的動/能粒子,因為單原子氣體粒子僅具有平移動能,而雙原子粒子將具有相同的平均平移動能,但也具有旋轉動能和振動動能。
但是,您可以說的是溫度是每個可用自由度平均動能的度量, $ \ langle H_ {kin,DOF} \ rangle $ span>:
$$ \ langle H_ {kin,DOF} \ rangle = 1/2 N k_B T / f,$$ span>,其中 $ f $ span>是自由度的分數可用性。
因此我們可以這樣寫:
$$ T = \ frac {2 \ langle H_ {kin,DOF} \ rangle} {N k_B f} $$ span>
再次考慮單原子氣體與雙原子氣體。在低溫下,振動自由度可能無法完全獲得,但是平移自由度將是(因此,對於三個平移自由度中的每一個, $ f = 1 $ span>)。在相同溫度下,兩種氣體的平均KE /顆粒會有所不同。但是,對於這兩種氣體,每個平移自由度的每個粒子的平均KE值將相同!
在熱力學中,溫度定義的基礎由 $ 0 ^ {\ text {th}} $ span>定律提供:兩個與第三個物體獨立處於熱平衡狀態的物體彼此處於熱平衡狀態。熱平衡可以定義溫度:兩個處於熱平衡狀態的物體處於相同的“溫度”。
$ 0 ^ {\ text {th}} $ span>法則很有用,因為它提供了一種方法來確定兩個不處於熱態的系統如果接觸,接觸將達到熱平衡。這種熱平衡的傳遞特性提供了一種對系統進行排名的方法,例如通過將它們分別與參考體進行熱接觸來對其進行排名。溫度計代表這樣的參考體。它被設計為僅熱交換能量,而不是通過功進行交換。可以通過定義溫度計狀態的溫度計的可觀察到的強化特性來提供溫度的實際測量值(刻度)。如果溫度計在與兩個不同的物體接觸時指示相同的“溫度”,則這兩個物體處於熱平衡狀態(或者如果處於熱接觸狀態,則處於平衡狀態)。
一旦以溫度計的狀態為基准設定了溫度標度,下一個要回答的問題是,當兩個處於不同溫度的物體熱接觸時會發生什麼?為了回答這個問題,我們引用第一定律。第一定律定義了不同形式的能量(熱和功)的可加性。熱量是物體在沒有熱作用的情況下達到熱接觸平衡時內部能量的變化。第一定律還提供了一種通過將“熱量”與等效工作量聯繫起來的方法。例如,可以使用電功來改變剛性絕熱容器中物質的狀態。功的量等於熱量,如果能量轉移是通過熱進行且沒有功,則將導致物質的溫度變化相同。
$$ \開始{align} \ Delta U & = w \ tag {adiabatic} \\ & = q \ tag {耐高溫,剛性} \ end {align} $$ span>
最後請注意,存在一個基於第二定律的熱力學溫度標度(作為熵性質的推論),但實際上,我們依賴於其極限(理想)行為接近於熱力學規模。
溫度是組成系統的顆粒的平均動能。就是這樣,這是正確的。此頁面上有許多其他定義,它們是等效的或不正確的。有什麼問題嗎?