熵與熱力學第二定律

熱力學溫標

普通溫度計依賴某種物質——水銀柱的高低、酒精的膨脹——而不同物質之間會略有分歧,所以那個「度」多少有點隨意。熱力學溫標擺脫了這一點,它用一條自然定律、而不是任何材料來定義溫度。這是一種不含任何測溫液體的溫度。

開爾文的洞見是:理想的卡諾機提供了一把不依賴物質的尺子——兩個溫度之比,等於一台在它們之間運行的可逆機所吸收與排出的熱量之比。把標度錨定在絕對零度——原則上那個熱量之比會在此消失之處——就釘下了一個真正的零點。結果就是開爾文溫標,每一度的大小與攝氏度相同,但計數從絕對零度(約 −273.15 °C)開始。

它為什麼重要:這正是每一個嚴肅的熱力學公式裡該用的溫度——除熱量得到熵的那個 T、卡諾效率裡的那個 T、氣體定律裡的那個 T。因為它有一個真正的零點,比值才有意義:從熱力學上說,200 K 確實是 100 K 的兩倍熱。要注意的是:這句話在攝氏或華氏溫標上是錯的,它們的零點是隨意的,這正是為什麼這些溫標絕不能用在這些方程裡。

把氣體從 20 °C 加熱到 40 °C,並不會讓它的膨脹傾向翻倍,儘管攝氏數翻了一倍。換算成開爾文——293 K 到 313 K——你就看出真正的變化僅有約 7%。氣體定律只有在你餵給它熱力學溫度時才會乖乖聽話。

只有開爾文溫標有真正的零點,所以只有它的比值在物理上有意義。

熱力學溫標和理想氣體溫標在數值上恰好完全一致,這是一個幸運而深刻的巧合——它讓我們能用一支實際的氣體溫度計,去實現一個抽象的、基於發動機的定義。

又稱
热力学温标熱力學溫標absolute temperature scaleKelvin scale