1848年开尔文建立了热力学温标
现在我们终于有了与测温物质无关的绝对温标,但我们还是不知道温度的本质是什么……小编并不是故弄玄虚地不告诉大家答案,而是人类的确用了很长很长的时间去探索,已经建立了很好的温标体系,但仍然不清楚最终的答案 。
那时人们已经意识到,热量代表热传递的数量,与能量是相当的,而温度则代表热的强度——这有点像水位与储水量的关系,一个容器内水位的高低固然与储水量有关,但还与容器的大小,即横截面有关 。水量的多少相当于热量,而水位的高度相当于温度 。其实这等于没说,水位的高度——热的强度又是什么呢?
我们与连通器类比一下,容器的形状不同,但是如果他们之间是连通的,那么水位的高度就一定是一样的,这是由于液压导致的平衡状态 。经验告诉我们,如果两个物体相互接触达到热平衡,那么它们的温度一定是一样的,尽管热量可能不同(这种经验最终在1931年以热力学第零定律的名称科学地表述了出来,因为在逻辑上它应该在热一律和热二律之前,所以称为第零定律) 。这种现象背后的原因是不是像连通器一样,温度也有一种温压呢?导致两个物理平衡后不是热量均分(对应连通器里水的体积)而是温度相等(对应水位高度) 。
连通器
那么这种温度的压力是什么呢?热动说的进一步发展必须深入到物质结构的微观层次 。虽然原子的结构要等到1897年汤姆生才发现电子,1912年卢瑟福才发现原子核,但不管原子是长什么样的,古希腊的哲学家们就已经相信,物质是由一个个基本的原子组成的,并且原子处于永恒的运动之中 。1827年英国植物学家布朗在显微镜下观察到悬浮在静止液体里的花粉不停地左无规则运动 。起初他以为花粉是活的,但尘埃颗粒也会如此,后来他才搞清楚,花粉是在周围分子无规则地撞击下运动的,因为他把这种运动称为布朗运动 。1905年,爱因斯坦发表论文证明了原子存在的证据,并给出了布朗运动的理论解释,把分子的无规则运动称为热运动(有趣的是,同年爱因斯坦共发表了五篇论文,一篇是这里对布朗运动的解释,一篇拿到了博士学位,一篇解释了光电效应并因此获诺奖,一篇建立了狭义相对论,一篇提出了著名的公式E=mc2) 。
基于爱因斯坦的理论,我们认识到:“热量”就是热运动的能量,即“热能”,而温度可以理解成“热压”,代表了原子的“平均动能”,也就是平均每个原子所具有的动能 。因此当两种物体接触的时候,它们的原子动能会达到一致,温度也就相同了 。例如把一个冷的铁球放到一杯热水里,水分子温度高,振动更剧烈,它们迫使铁原子也剧烈地振动起来,最后达到相同的振动动能,这个过程中水分子所传递给铁原子的动能的量就是“热量” 。
这里再稍稍深入一点,从热动说的角度解释一下比热、潜热和物态变化的内在原因 。分子的热运动的能量其实包含势能和动能两个部分,你可以把它想象成一个悬挂在弹簧上的小球不断地振动,弹簧的势能和小球的动能不断相互转换 。分子热运动的能量中势能部分使原子趋于团聚,动能部分使分子趋于飞散,这两个对立的因素总处于竞争的状态 。
大体说来,当平均动能胜过势能时,物质就处于气态;势能胜过平均动能时,表现为固态;二者相当时,就表现为液态 。在物态转换时,例如冰融化为水时所吸收的“潜热”,并没有改变水分子的动能(表现为温度不变),而是用于水分子之间氢键等作用力的断裂(相当于拉伸弹簧,势能增加) 。而由于不同物质的密度、原子质量等因素的不同,分子之间相互作用力导致的势能不同(例如水的氢键),因此同样温度的情况下,尽管每个原子的“能量”是相同的,但整块物质所含有的“热量”却不同,这就很好理解了 。
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