热力学温标

热力学温标，又称开尔文温标、绝对温标，简称开氏温标，凯氏温标，是一种标定、量化温度的方法。它对应的物理量是热力学温度，或称开氏度，符号为K，为国际单位制中的基本物理量之一；对应的单位是开尔文，符号为K。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。热力学温度又被称为绝对温度，是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0K，对应-273.15°C。热力学温标可以通过下列过程引入：假设一个卡诺热机在高温热源（温度 Θ 1 {displaystyle Theta _{1}} ）和低温热源（温度 Θ 2 {displaystyle Theta _{2}} ）之间工作，并且在高温热源吸收热量 Q 1 {displaystyle Q_{1}} ，向低温热源放出热量 Q 2 {displaystyle Q_{2}} ，其间向外界作功 W {displaystyle W} 。那么，可逆热机的效率 η {displaystyle eta } 可以表示为：卡诺定理指出，可逆循环的效率只与高温热源和低温热源的温度有关，而与工作物质（工质）或工作路径等其它因素无关。也就是说， η 12 {displaystyle eta _{12}} 仅仅是温度 Θ 1 {displaystyle Theta _{1}} 和 Θ 2 {displaystyle Theta _{2}} 的函数。为了方便下面的推导，不妨设：另外，对于任意三个温度 Θ 1 {displaystyle Theta _{1}} 、 Θ 2 {displaystyle Theta _{2}} 、 Θ 3 {displaystyle Theta _{3}} 的热源，考虑 1 → 3 → 2 {displaystyle 1rightarrow 3rightarrow 2} 和 1 → 2 {displaystyle 1rightarrow 2} 两个可逆过程。不妨设两个过程中，热机都从1号热源吸收了相同的热量 Q 1 {displaystyle Q_{1}} 。另外，把两个过程中，热机最终释放给2号热源的热量分别记为 Q 2 {displaystyle Q_{2}} 和 Q 2 ′ {displaystyle Q'_{2}} ，把 1 → 3 {displaystyle 1rightarrow 3} 过程中，热机释放给3号热源的热量记为 Q 3 i n {displaystyle Q_{3in}} ，把 3 → 2 {displaystyle 3rightarrow 2} 过程中，热机吸收自3号热源的热量记为 Q 3 o u t {displaystyle Q_{3out}} 。为了保证两个过程的可逆性，否则都将意味着热机运作过程中，有热量散失或有新的能量进入系统，这都违反了卡诺定理。由此，容易证明：（其中 ψ ( Θ ) {displaystyle psi (Theta )} 为形式可选择的普适函数）可以观察到， ψ ( Θ ) = Θ {displaystyle psi (Theta )=Theta } 是可取的一种形式。即， f ( Θ 1 , Θ 2 ) = Θ 2 Θ 1 {displaystyle f(Theta _{1},Theta _{2})={frac {Theta _{2}}{Theta _{1}}}} 。由于定义式只给出了两个温度的比值，仍需要一个标准点。1954年国际计量大会决定，取水的三相点（273.15K）作为标准点，作为热力学温标的定义。通过推导过程，可以注意到：由于卡诺定理中，热量交换做功是与测温物质无关，所以通过上述方法取定的温标 Θ {displaystyle Theta } （热力学温标）也与测温物质无关。