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【物理学的足迹】1848年 汤姆孙提出绝对温标 精选

已有 8500 次阅读 2016-1-21 12:29 |个人分类:物理学的足迹|系统分类:科普集锦| 物理, 温度, 热力学, 物理学史

1848     汤姆孙(开尔文勋爵)提出绝对温度和绝对温标


节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》

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图1. 汤姆逊(开尔文勋爵)

在华伦海特和摄尔修斯等人相继提出华氏温标和摄氏温标之后,温度逐渐成为物理学研究中常用的一个参数,但是如何准确地度量温度却成为实验物理学家的一大头疼的问题。这是因为不同温标制定时的参考点和分度值都不一样,而采用不同形式的温度计则各有利弊,导致面对同一个客观温度而言,会有一系列不同的数字来表示它的温度值,这在科学研究上是极其不方便的。更糟糕的是,实验上采用的温度计实际上依赖于测温物质的属性,如水银、酒精和石油等液体温度计是根据液体体积和温度关系,气体温度计是根据气压和温度的关系,而金属温度计是根据电阻和温度的关系,电偶温度计是根据电势差和温度的关系等,没有一种温度计是完全不依赖于测温物质本身属性的。


图2. 摄氏温标、华氏温标、和热力学绝对温标的对比

为了解决这一混论的局面,1848年,英国物理学家威廉•汤姆孙根据热力学第二定律提出了绝对温度和绝对温标的概念。汤姆孙把卡诺循环中的热量作为测定温度的工具,即热量是温度的唯一量度,从而建立了不依赖于任何测温物质的温标——热力学温标(又称绝对温标)。在热力学温标中,定义水的三相(气、液、固)点为273.16 K,对应摄氏温标下一个大气压下水固液线为273.15 K(注意和前者有0.01度的区别),也即0°C,这样绝对零度0 K就是-273.15°C。热力学温标的建立,很好地描述了温度这个物理参数,1892年汤姆孙因为热力学的重要科学贡献而被授予开尔文勋爵称号,热力学温标的单位也取名为“开尔文”,简称“开”,符号为K1 954年,国际计量大会确定了这一温标为标准温标。K成为国际单位制(SI)中7个基本单位之一。


图3. 玻色-爱因斯坦凝聚

在热力学温标中,0 K就是绝对零度,代表宇宙中最低的温度极限。绝对零度是一个只能无限逼近的极限值,人类在实验室中采用各种制冷技术不断创造了极低温的记录。目前能够达到的最低温度是十亿分之一K左右,可以说已经非常接近零。在逼近低温过程中,会有一系列新奇的量子现象,如超导、超流和玻色-爱因斯坦凝聚等,展现出自然的神奇魅力。我们的宇宙也并不是那么冷,最新的观测实验说明当今宇宙具有3 K温度的微波背景辐射,是150亿年前发生的“大爆炸”残留的余温,这种背景辐射分布是不均匀的,代表宇宙中物质的分布情况。即使在空旷的宇宙空间这么冷的地方,有一种叫做水熊虫的小生物还是能够生存几个小时,堪称生命的奇迹!


图4. 水熊虫


图5. 宇宙微波背景辐射


【丛书简介】

“改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书,含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册,以编年体的形式呈现,图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。

丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动,以科学发现的历史为主,兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂,对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神,乃至对于提高国民的整体科学文化素养,都将起到积极的促进作用。







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