再論解析溫度的內在邏輯
再論解析溫度的內在邏輯
胡 良
深圳市宏源清實業有限公司
摘要:溫度是表達物體冷熱程度的物理量;分子的無規則運動叫做分子的熱運動,大量分子的運動遵循統計平均規律。對氣體來說,根據分子熱運動規律及採取統計平均方法,可揭示熱力學溫度(T)與氣體分子運動的平均平動動能(Ek)的聯繫。
關鍵詞:溫度,壓強,分子,動能,熵,對稱性,場,相位
作者,總工,高工,碩士
Analyze the connotation of temperature
The energy constant (Hu) is the smallest energy unit,Hu = h * C=Vp*C^(3), which reflects the intrinsic relationship between the vacuum speed of light (C) and Plancks constant (h).
Keywords: Temperature, pressure, kinetic, kinetic energy, entropy, symmetry, field, phase
1從分子熱運動來看溫度
溫度是表達物體冷熱程度的物理量;分子的無規則運動叫做分子的熱運動,大量分子的運動遵循統計平均規律。對氣體來說,根據分子熱運動規律及採取統計平均方法,可揭示熱力學溫度(T)與氣體分子運動的平均平動動能(Ek)的聯繫。
,其中,動能( )表達平均一個氣體分子的動能,
其量綱是,[L^(3)T^(-1)]*[L^(2)T^(-2)],或,[L^(3)T^(0)]*[L^(2)T^(-3)];
玻爾茲曼常數( )的量綱是,[L^(3)T^(0)],大小是, ;
溫度( )的量綱是,[L^(2)T^(-3)],大小是, 。
可見,氣體分子的平均平動動能與溫度有關(與熱力學溫度成正比)。從宏觀上來看,溫度體現物質冷熱程度;從微觀上來看,溫度與大量氣體分子的平均平動動能的平均值相關。
如果熱力學系統中的任一個都與參照的熱力學系統處於熱平衡(體現為溫度相同),則其相互之間也一定處於熱平衡。或者說,溫度相等是熱平衡的必要條件。
從另一個角度來看,同一熱平衡狀態的任何熱力學系統都具有共同的宏觀特徵,這就是熱平衡系統狀態擁有一個大小相等的狀態函數(溫度)。
溫度體現了分子運動的平均動能,是大量分子熱運動的統計結果。對於真空來說,溫度就表現為環境溫度;環境溫度本質上是光子(類似氣體分子)運動的平均動能,是大量光子熱運動的統計結果。
通常,溫度通過物體隨溫度變化的某些特性來進行間接測量;溫標就是用來量度物體溫度數值的標尺。
2從統計力學來看溫度
從統計力學來看,溫度與系統的熵及系統的動能有關;在系統體積(V)及粒子數(N)保持不變的情況下,體現為溫度是動能對於熵的偏導。
,
其中,熵( )的量綱是,[L^(3)T^(0)];溫度( )的量綱是,[L^(2)T^(-3)];
動能( )的量綱是,[L^(3)T^(-1)]*[L^(2)T^(-2)],
或,[L^(3)T^(0)]*[L^(2)T^(-3)]。
值得一提的是,熵(S)的含義是玻爾茲曼常數乘以系統分子的狀態數的對數值,從統計學來看,S=k*㏑Ω。物質的量就是粒子的數量,可用個(或摩爾)表達。
3普朗克溫度的內涵
普朗克溫度(Tp)是宇宙中最高的溫度。
,
其中, ,表達約化普朗克常數,量綱是,[L^(3)T^(-1)]*[L^(2)T^(-2)],大小是, ;
,表達光速,量綱是,[L^(1)T^(-1)];
,表達萬有引力常數,量綱是,[L^(0)T^(-1)],大小是, ;
,表達玻爾茲曼常數,量綱是,[L^(3)T^(0)],大小是, ;
,普朗克質量,量綱是,[L^(3)T^(-1)],大小是, ;
,表達普朗克溫度,量綱是,[L^(2)T^(-3)],大小是, 。
4解析溫度與壓強等內在聯繫
溫度是一個強度量,大於絕對零度的物體都會有電磁輻射。物體可通過輻射電磁波(降低了自由光子的數量)來降低溫度,而物體也可通過吸收電磁波(增加了自由光子的數量)來增加溫度。此外,在物體的內部,輻射及吸收光子也時刻在進行著;在物體的內部,自由光子及受約束光子(圍繞電子運行的光子)的比例與溫度有關。
對於一個孤立量子體系來說,體現為固態屬性;對於二個(或以上)相互圍繞運行的孤立量子體系來說,共同體現為液態屬性;對於眾多運行的自由孤立量子體系聚集體來說,共同體現為氣態屬性。
對於一個由N個基本粒子組成的孤立量子體系(固態屬性)來說,
。
對於二個相互圍繞運行的孤立量子體系(液態屬性)來說,
。
對於眾多自由運行的孤立量子體系聚集體(氣態屬性)來說;可將眾多自由運行的孤立量子體系聚集體,視為一個更大的孤立量子體系。
更大的孤立量子體系的屬性,可用壓強( ),體積( ),溫度( )及內部的孤立量子體系數量( )等來表達。
。
例如,對於一個氫氣分子(由 個基本粒子組成)來說,
;
假如,在這一個孤立量子體系內部,共有 個基本粒子,則基本粒子構成 個
氫原子,則有, 。
根據,
,
可知, ,這意味著宏觀的壓強小於微觀的溫度。
,這意味著宏觀的體積,大於,其內部基本粒子的普朗克體積
之和。
體現了宏觀(眾多較小的孤立量子體系組成)與微觀(較小的孤立量子體系)之間的聯繫。
例一,這一個由N個基本粒子組成的孤立量子體系內部如果全部由光子
組成,則體現的壓強最大。
例二,這一個由N個基本粒子組成的孤立量子體系,其內部全部由氫
氣組成;與這一個孤立量子體系內部全部由水分子組成;進行比較,可知,
如果其它邊界條件全部一樣,則水分子組成的孤立體系的壓強小於氫氣分子
組成的孤立體系的壓強。
因為,在這一個孤立量子體系內部,雖然,含有的基本粒子數量相同;但水分子數量小於氫氣分子的數量。
氣態方程表達了,由很多自由的孤立量子體系組成的宏觀孤立量子體系的屬性,揭示了宏觀與微觀的內在聯繫。
對於混合的理想氣體,其狀態方程可表達為,
。
此外,根據能量常數理論(量子三維常數理論)可知,
。
可見,
對於光子來說, ;
對於N個基本粒子組成的自由的孤立量子體系來說,
;
對於M個基本粒子組成的自由的孤立量子體系來說,
。
總之,影響溫度的因素有三個。第一個因素,自由的孤立量子體系(例如,自由的光子,自由的原子及自由的分子等)的動能;第二個因素,單位體積內所含有的微粒(自由的孤立量子體系)數量,宏觀物體是由大量的微粒(光子,原子及分子等)組成的;第三個因素,背景空間。
推薦閱讀: