热力学温度

经典热力学中的温度没有极限高温度的概念，只有理论最低温度“绝对零度”。热力学第三定律指出，“绝对零度”是无法通过有限次步骤达到的。在统计热力学中，温度被赋予了新的物理概念——描述体系内能随体系混乱度（即熵）变化率的强度性质热力学量。由此开创了“热力学负温度区”的全新理论领域。通常我们生存的环境和研究的体系都是拥有无限量子态的体系，在这类体系中，内能总是随混乱度的增加而增加，因而是不存在负热力学温度的。而少数拥有有限量子态的体系，如激光发生晶体，当持续提高体系内能，直到体系混乱度已经不随内能变化而变化的时候，就达到了无穷大温度，此时再进一步提高体系内能，即达到所谓“粒子布居反转”的状态下，内能是随混乱度的减少而增加的，因而此时的热力学温度为负值！但是这里的负温度和正温度之间不存在经典的代数关系，负温度反而是比正温度更高的一个温度！经过量子统计力学扩充的温标概念为：无限量子态体系：正绝对零度<正温度<正无穷大温度，有限量子态体系：正绝对零度<正温度<正无穷大温度=负无穷大温度<负温度<负绝对零度。正、负绝对零度分别是有限量子态体系热力学温度的下限和上限，均不可通过有限次步骤达到。

开尔文是因英国科学家开尔文姓氏而得名的热力学温度单位。1848年，英国科学家威廉·汤姆逊首先提出“热力学温度”理论，并很快得到国际上的承认。1854年，威廉·汤姆逊提出，只要选定一个固定点，就能确定热力学温度的单位。

早在1787年法国物理学家查理（J.Charles）就发现，在压力一定时，温度每升高1℃，一定量气体的体积的增加值（膨胀率）是一个定值，体积膨胀量与温度呈线性关系。起初的实验得出该定值为气体在0℃时的体积的1/269，后来经许多人历经几十年的实验修正，其中特别是1802年法国人盖·吕萨克（J.L.Gay-Lussac）的工作，最后确定该值1/273.15。将上述气体体积与温度的关系用公式来表示，形式如下：

V=V₀（1 t/273.15）=V₀（t 273.15）/273.15

式中V是摄氏温度为t/℃时的气体体积。若定义t 273.15≡T（于是0℃ 273.15=T0），上述关系就可以用形式更简单的公式来表达：V/T=V₀/T₀，进一步看，V₁/T₁=V₀/T₀，V₂/T₂=V₀/T₀，自然有V₁/T₁=V₂/T₂，即在任何温度下一定量的气体，在压力一定时，气体的体积V与用T为温标表示的温度成正比。这叫做查理-盖·吕萨克定律。事实上这种关系只适用于理想气体。为此，人们起先把T称为理想气体温度（温标），又叫绝对温度（温标）。在热力学形成后，发现该温标有更深刻的物理意义，特别是克劳修斯（Claosius）和开尔文（Kelvin）论证了绝对零度不可达到，便改称热力学温度（温标），并用Kelvin第一个字母K为其单位。物体的温度是构成物体的大量微粒运动（热运动）的激烈程度的宏观体现。

热力学温标是由威廉·汤姆森，第一代开尔文男爵于1848年利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入的。它是一个纯理论上的温标，因为它与测温物质的属性无关。符号T，单位K（开尔文，简称开）。国际单位制（SI）的7个基本量之一，热力学温标的标度，符号为T。根据热力学原理得出，测量热力学温度，采用国际实用温标。热力学温度旧称绝对温度（absolute temperature）。单位是“开尔文”，英文是“Kelvin”简称“开”，国际代号“K”,但不加“°”来表示温度。开尔文是为了纪念英国物理学家Lord Kelvin而命名的。以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.16。

摄氏度为表示摄氏温度时代替开的一个专门名称。而水的三相点温度为0.01摄氏度。因此热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是：T（K）=273.15 t(℃)。规定热力学温度的单位开（K)与摄氏温度的单位摄氏度（℃)的平均值完全相同。所以

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，1开尔文定义为“对应玻尔兹曼常数为1.380649×10-23J·K-1

(1.380649×10-23kg·m2·s-2·K-1)时的热力学温度”。

表达式为：T=t 273.15℃

T是热力学温标 t是摄氏温标

它的由来是这样的：

一定质量的气体 在体积不变的情况下 温度每升高（或降低）1℃ 增加（或减少）的压强值等于它在0℃时压强的1/273 用公式表示为

p=p0(1 t/273)

其中p0是0℃时气体的压强

后来开尔文引入了“绝对零度”的概念 即温度到达0K 即-273℃ 气体便停止了一切的运动

后来它被推广到了T=t 273.15℃

当前，主要的热力学温度测定方法有：定压气体温度计法、气体声学温度计法、辐射温度计法（包括光谱福射温度计和全福射温度计）、介电常数温度计法、噪声温度计法等，不同原理的热力学温度测定方法受自身条件的限制，适用于不同的温度区间，与气体折射率基准温度计测温区间相重合的主要是声学温度计。

从热力学基本关系式((e)S/(e)U)v=1/T和Boltzmann分布式N2/N1=exp(-ε/kT)说明了热力学温度不仅可以有正值还可以存在负值.以核自旋平衡体系为实例指出了负温度存在的必要条件:必须是一个能量(或能级)有上限的热平衡体系,与环境绝热隔离,且还需借助于一定的外力作用. 2100433B