為什麼熱力學溫標不依賴於測溫物質，它的零點是怎樣確定的？

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我都忘記這個答案了~~~謝謝@金晨羽 把它挖出來，今天把坑填了~~~下面是2012.6月的回答。更新部分在最後。

回答這個問題先看看國際上的7個基本單位：質量，時間，長度，電流強度，物質的量，發光強度和溫度。

前面的6個都比較方便：

比如長度，人們做了一根棒子叫做米原器，規定它的長度就是1m。後來完善了定義才改成光在真空中1秒鐘傳播距離的1/299792458。這樣所有其他的長度都和它來比，就得到他們都有多長了。

再比如質量，也有個叫做千克原器的東西。時間是和地球自轉掛鉤的。電流強度和通過導體的電量掛鉤。物質的量和原子數量掛鉤。光照強度和光通量掛鉤。

所有這些有一個共同點，是這些量是很容易分割，比較的。通俗點就是有一個標準放在那，大家都去那這個標準去比較就可以了。

溫度就坑爹了，現在都知道溫度本質是分子的熱運動，那麼這個熱運動怎麼比較呀！直接讓人去感受是完全靠不住的，根本無法定量。確定溫標是很麻煩的事，因為根本就沒有一個直接的標準，比較就無從談起。

開始，人們發現熱脹冷縮原理，攝氏溫度就規定了標況下冰水混合物的溫度（不是水的三相點）是0°C，沸水是100°C，然後還規定了熱脹冷縮滿足線性關係。那麼把這部分膨脹的體積分成100份，每份就是1°C。問題來了，人們大量使用的溫度計有水銀的也有酒精的。膨脹特性不一樣呀~

那就要找其他辦法了，用氣體的膨脹來標溫度。但是氣體的膨脹也不是嚴格線性的，只有理想氣體才會嚴格的線性關係。理想氣體不存在，但是我們知道壓強越接近0，氣體性質就越接近理想氣體。然後在氣壓極低時測量不同氣體的體積，就可以得到不同的溫度了。大概是這樣：

意思是不同的氣體和壓強，最後把氣體的體積外推至V=0，得到同一個溫度-273.15°C，這就是絕對零度了。絕對零度其實是一個外推的結論，數值則是和人們的規定有關。後來發現這一結論有更深的意義。

熱力學發展了，有了熱力學第二定律，利用卡諾熱機定義了熱力學溫標。（這部分有時間在加上，見下面）

現在的定義：絕對零度是0K；水的三相點溫度是273.16K。

所以，由於溫度的這個坑爹特性，熱力學溫標依靠的其實是理想模型和理論推導，任何實際物質都不可能嚴格的服從上述的定律。

2013.12.30的更新：

前面說了用理想氣體的定義，但是這仍然依賴理想氣體這個」物質「的特殊性質。要知道一些廣泛使用的狀態函數（性質，比如壓強，體積，焓）不依賴任何物質的特殊性質。後來熱力學第二定律出現，人們定義了絕對溫標（熱力學溫標）。

利用卡諾熱機（卡諾循環與卡諾熱機）的性質：工作在T1和T2兩個熱源(T1&那麼-Q1/Q2=1-η也是T1和T2的函數，計做-Q1/Q2=f(T1,T2)，這樣函數f最後長成什麼樣只與我們選擇的溫標有關，與體積性質無關了。下面看看f需要符合什麼條件：

設計三個卡諾熱機，工作溫度分別是（T1，T2），（T2，T3）和（T1，T3），並且滿足Q3A=Q3B, Q1B=Q1C。（T1&

就有了：

-Q1/Q2A=f(T3,T2)

-Q2C/Q2=f(T2,T1)

-Q1/Q2=f(T3,T1)

Q2A=-Q2C

可以得到：

-Q1/Q2=f(T3,T2)f(T2,T1)=f(T3,T1)

那麼：f(T3,T2)=f(T3,T1)/f(T2,T1)

這樣f可以寫成下面的形式：

f(T3,T2)=g(T3)/g(T2)

前面的假設具有一般性，所以：-Qc/Qh=g(Tc)/g(Th)

這樣選擇一個合適的函數g滿足上面的關係式就能定義一個溫標。為了和歷史兼容，人們就選擇了g（T）=T這樣一個形式。並且選擇水的三相點273.16K為參考溫度，這樣任意溫度的確定就由T/273.16=-Qt/Q水 來確定。其中-Qt/Q水 是卡諾循環的熱交換比，與循環物質無關，這樣就確保了熱力學溫標與任何物質的性質無關了。

ps：前面例子裡面時間和電流是很早的定義方法，比如時間起源於太陽的東升西落。下面把現在的定義抄下來，以免混淆。來源於國際單位制基本單位。

米（長度單位）：光在真空中（1/299 792 458）s時間間隔內所經過路徑的長度。

千克（質量單位）：國際千克原器的質量。

秒（時間單位）：銫-133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9 192 631
770個周期的持續時間。

安培（電流單位）：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1
m的無限長平行圓直導線內通以等量恆定電流時，若導線間相互作用力在每米長度上為2×10-7 N，則每根導線中的電流為1
A。

開爾文（熱力學溫度）：水三相點熱力學溫度的1/273.16。

摩爾（物質量）：是一系統的物質的量，該系統中所包含的基本單元（原子、分子、離子、電子及其他粒子，或這些粒子的特定組合）數與0.012
kg碳-12的原子數目相等。

坎德拉（光強度單位）：是一光源在給定方向上的發光強度，該光源發出頻率為540×1012
Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。

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我來補充一下@HippoMatrix的回答。讓題主更好的理解負溫度系統。

溫度定義為。

在統計熱力學中熵定義為

其中為玻爾茲曼常數，為微觀量子態的數目。

考慮一個有10個粒子的二能級系統。

當系統中所有粒子都處於低能級時，系統中微觀量子態數目為1，且能量處於最低。

當系統中所有粒子處於高能級時，系統中微觀量子態的數目也為1，但是能量處於最高。

當系統中有一半的粒子處於高能級，一半在低能級時，微觀量子態多數目為，是系統量子態最多的能量狀態，即此時系統熵最大。

從下圖可以看出隨著系統能量上升，系統的熵先增大後減小。

根據溫度定義，可以看出在上圖左邊溫度大於零，右邊溫度小於零。

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在說明零點問題之前，先明確一個事實，就是負溫度普遍存在於很多我們不太常見的系統之中，比如磁場。@枕水提到的量子氣體我覺得有待考證，目前我登陸學校VPN也無法下載到相關論文，估計還沒發表，只是一個簡單的報告而已。如果氣象量子的低溫問題可以證實並且重複驗證，那將是很大突破。

為了回答「為啥不依賴於測定溫度」，我們現需要約定一個定義，即溫度是當兩個物體熱平衡時的相同能量數。那麼測溫的實際意義就是，待測物體和標準物體放到一起，過一會兒熱傳遞就平衡了，溫度也就穩定了。

那麼往細了說，熱平衡時候總能量是如何被分配的呢？

我們需要引入熵（entropy）這個概念，熱平衡時，能量將被分配，這種分配要趨向於最大化各個組分分配方式的穩定性上，也即熵的最大化

如下公式中S為熵，U為能量，說明了熱平衡時的等溫效應。

如果我們暫時將我們理解的溫度定義為如下的偏導數形式：

這種形式看似非常合理。但存在問題的是， 這個值似乎要倒過來才對，好像越熱的東西這個值越小，所以人們又給了它新的定義：

那麼我們又是如何把這種定義的溫度用來測量平均能量呢？在很多系統中，我們發現，如果加入越多的能量，那麼物質的組分對能量的分配方式就越多，那麼熵就越高。事實上，絕大多數已知系統中，能量－熵的圖像如下：

首先我們看到曲線總為正數，所以溫度總為正數。而且坡度隨著能量越來越小，這也就說明了溫度隨之上升。那麼我們就可以說溫度的測定和能量是正相關的。

但是這種關係不是所有系統都一成不變的。在引力約束系統中，它的坡度是隨能量上升而上升的，也就是溫度與能量成反比。現在我們看看溫度為負時候的曲線：

這裡，能量數值小的時候坡度為正，高了反而坡度變成負，而在中間的不為，斜率為零。這種定義顯然很符合常識，但是我們將曲線翻過來定義溫度。這意味著，如果我們一個勁的加能量，溫度就會一直上升到無窮大，然後跳到負無窮，最後上升至接近零度。這就是我們人為定義的溫度！看似很奇怪吧。溫度計的樣子：

但是實際上我們不可能達到負值，甚至@枕水提到的那帖子，我估計也是跟磁場瞬變效應一樣，瞬間逆轉參照系，然後讓溫度看似為負，而不是真的找到了低於絕對零度的實體，然後拿這個東西冷凍其他的物體，讓別人也為負。。。

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溫度可以認為是衡量粒子熱運動劇烈程度的尺度。

0K相當於是利用物理學公式 推導出的理論上 微觀粒子不運動，形成最低能量狀態時的「溫度」

記得老師曾經提過，為了接近絕對零度，最後快到極限的那一段 已經不是依靠傳導對流輻射之類的來降低了，而是把一個通過磁性微觀上排列整齊的物質送到低溫環境內，讓環境里僅存的能量擾動它的排列，拿出來再依靠磁性排列整齊，反覆多次，把裡面的能量」抓「出來

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溫度是分子熱運動的宏觀表現，熱力學零度就是分子完全靜止時的溫度，因此不依賴與標定溫度。

同時要注意，熱力學零度永遠不能達到。

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熱力學溫標的單位是開爾文（K），絕對零度就是開爾文溫度標定義的零點。絕對零度(absolute zero)是熱力學的最低溫度，但此為僅存於理論的下限值。0K等於攝氏溫標零下273.15度。

物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布，粒子動能越高，物質溫度就越高。理論上，若粒子動能低到量子力學的最低點時，物質即達到絕對零度，不能再低。然而，絕對零度永遠無法達到，只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量，也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的，除非該空間自始即無任何能量熱量。

因為絕對零度是無關於測溫物質的，而他又是熱力學溫標起始溫度，故熱力學溫標不依賴於測溫物質。

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