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温度和热量--解读热力学温标

(2011-02-11 16:25:24)
标签:

杂谈

 

    温度和热量-----解读热力学温标

 

 

    物体任何状态的变化首先表现在它的热量变化上,物体在高速运动中辐射光量子的质量亏损可以使周围环境温度升高,物体由高速运动变为低速运动时吸收光量子,又可能使环境温度下降,等等.总之,热量总是和系统与周围环境进行物质交换的质量变化相互联系,例如,剧烈的搅拌可以使水的温度升高,也可以用煤气炉将水加热。实际上,这两种加热的方式具有本质上相同的特征。搅拌的物体在与水分子相互摩擦时发生质量亏损,水分子在高速运动中同样有质量亏损。只要是不停地搅拌,在热力学系统中水分子就会不断地输出热量.人们一般对搅拌物体的质量亏损并不注意,但是,滴水穿石的现象是大家所熟知的.同样地,电子的运动、光量子的运动以及电磁场物质波的运动,都是质量以热量迁移的形式. 在这里所说的质量亏损,是指分子结合能的改变所导致c^2Δm能量的变化.这一切事实都归结为能量守恒定律最重要的自然规律.

 

 

    利用温度计不仅可以确定热平衡是否存在,而且可以判断系统内能的变化状态。选择气态氢作为温度计标准测温物质,是由于气体的压强p是判断温度的标志,当氢气所占体积不变时,物体的温度与此温度下氢的压强p成正比。因此,可按下述方式选择温标:测量氢在0 ℃与100 ℃的压强p0和p100,并在图1中将这两点表示出来;通过这两点连一直线,就可得到摄氏温标.这条直线的方程式为:

 

    T=(p-p0/p100-p0)×100          (1)

 
温度和热量--解读热力学温标

 

                                                                                                                                             图1 摄氏温标

 

 

 这根直线与T轴在温度为-273.15 0^C的一点相交,这就是绝对零度。因此,以氢气为标准的温度计是我们讨论问题的基础。但是,仅仅用温度计和测温物质去研究问题还是不全面的。在很多情况下还必须规定热力学系统的空间尺度“定标”和热量传播时间尺度“定标”,往往这些都与最小作用量和温度计观测精度相关.

 

1900年普朗克获得了一个和实验结果一致的黑体辐射公式:

 

    wdƒ=8πhƒ^3*dƒ∕C^3*e^(hƒ/kT -1)        (2)

 
  很容易算出上式Wdƒ 曲线最大值对应主振光波频率ƒ 

   

    hƒ∕kΤ=hС∕kΤλ=hС∕kb=5                   (3)

 
(式中h 是普朗克常数,С 是光速,k 玻耳兹曼常数,b 维恩位移常数)。有 

   

 hс/kb=6.626196*10^-34*299792458∕1.3806633*10^-23*0.0028775786=5

 

    因为,eU= hƒ , 所以,我们也可以氢原子U↓1 = 13.6伏 电离电位耒确定热力学温标:

 

    Τ↓1=0.2eU↓1∕k

 

    =0.2*1.6021892*10^-19*13.6/1.380663279*10^-23=31564.20992( Κ       (4)

 

    用Τ↓1 去平分13.6 U↓1 , 有

 

    U↓T=13.6∕31564.20992 =4.3086774*10^-4 (V∕Κ)          (5)

 

    U↓T是普适常数, 就有

 

    e* U↓T*Τ=hС∕λ ,

 

    b=λ*Τ=hС∕e U↓T=6.626196*10^-34*299792458∕1.6021892*10^-19

 

    *4.3086774*10^-4 =0.0028775786 (m *Κ)            (6)

 

    这正是维恩位移常数b .还有玻耳兹曼常数

 

    k=e U↓T∕5 =1.6021892*10^-19*4.3086774*10^-4 / 5

 

    =1.380663279*10^-23 (J / K)                     (7)

 
   和第二辐射常数c↓2=5*b=5*0.0028775786=0.014387893(m *Κ)   (8) 

   

   式中为什么出现5的整数, 这与电子结构的环量子的个数有关.

 

    上述计算表明, 氢原子13.6伏电离光谱在局部空间的热力学温度Τ↓1是极高的, 我们称Τ↓1为色温, 即是绝对黑体的温度.在大多情况下色温并不等于在热平衡状态下的平均温度, 但是, 可以想象如果用强大的激光束在局部空间可以达到几亿, 几十亿和上百亿的温度,就足以产生聚核或核裂变反应去开发新的能源.

 

    笔者认为温度和热量总是与微观粒子在电场力的相互作用下, 交换电子发生光量子辐射和吸收有关, 因此, 光是热的物质运动形式, 是光量子与原子、分子发生碰撞(类似布朗运动) 和吸收, 才产生热传导的. 因此, 也可以用电压做为热力学温标分度的标准.

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