以絕對(duì)零度為起點(diǎn)的溫度被稱為絕對(duì)溫度。  在建立經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的過程中發(fā)現(xiàn),使用不同測(cè)溫物質(zhì)建立的溫標(biāo)是有差別的。這就需要有一個(gè)不依賴于測(cè)溫物質(zhì)的、統(tǒng)一的溫標(biāo)作為調(diào)校的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)顯示,用各種氣體做測(cè)溫物質(zhì)建立的溫標(biāo)差別比較小,因此,所需要的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)應(yīng)該由氣體溫標(biāo)產(chǎn)生。氣體溫標(biāo)由氣體溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)。有兩種類型的氣體溫度計(jì):定容氣體溫度計(jì)保持氣體的體積不變,用氣體的壓強(qiáng)隨溫度而變的性質(zhì)做測(cè)溫屬性;定壓氣體溫度計(jì)保持氣體的壓強(qiáng)不變,用氣體的體積隨溫度而變的性質(zhì)做測(cè)溫屬性。我們來討論如何用這兩種測(cè)溫屬性建立標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)體積不變時(shí),一定量氣體的壓強(qiáng) 隨溫度 作線性變化:式中的下標(biāo) “0” 是溫標(biāo)的零點(diǎn)的標(biāo)志, 是氣體的壓強(qiáng)系數(shù),其取值與所用的氣體的成分和定容溫標(biāo)有關(guān)。這條規(guī)律由 J·A·Charles 于 1787 年發(fā)現(xiàn),被稱為查理定律;類似地,當(dāng)氣體的壓強(qiáng)不變時(shí),一定量氣體的體積 隨溫度 也作線性變化:式中 是氣體的體膨脹系數(shù),其取值與所用的氣體的成分和定壓溫標(biāo)有關(guān)。這條規(guī)律由 L·J·Gay-Lussac 于 1802 年發(fā)現(xiàn),被稱為蓋呂薩克定律。上述定律中的兩個(gè)系數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)來確定。以查理定律為例,把一定量的某種氣體裝入到一個(gè)容器中并密封起來,在體積不變的條件下對(duì)這種氣體在 0℃~100℃ 的范圍內(nèi)測(cè)出若干個(gè)溫度下的壓強(qiáng),把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫在 圖上,如下圖所示。根據(jù)查理定律,圖上的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)該能夠連接成一條直線。但是,由于測(cè)量中的各種誤差,這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)并不會(huì)落在一條直線上,而是分布在某條直線的附近??梢岳脭?shù)學(xué)方法擬合出一條與所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最貼近的直線,它應(yīng)該就是查理定律給出的直線。這條直線與縱軸有一個(gè)交點(diǎn),該處的讀數(shù)就是 的數(shù)值;把這條直線往橫軸的負(fù)方向延伸,也會(huì)在橫軸上得到一個(gè)交點(diǎn),該處的讀數(shù)用 標(biāo)記。從數(shù)學(xué)上看, 是當(dāng) 時(shí)的溫度值。當(dāng)然, 是不可能實(shí)現(xiàn)的,因此,從物理上看, 實(shí)際上是當(dāng) 時(shí) 的極限。于是,在查理定律中令 得到:這就定出了該種氣體的壓強(qiáng)系數(shù)。 在上述實(shí)驗(yàn)中,把裝在容器中的氣體抽掉一部分,使容器內(nèi)的氣體變得更稀薄,再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。利用這次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)得出另一條直線,結(jié)果發(fā)現(xiàn),它與縱軸的交點(diǎn)會(huì)比原來的交點(diǎn)更靠近坐標(biāo)原點(diǎn),而與橫軸的交點(diǎn)也會(huì)稍微靠近或者遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn),具體的行為與氣體的成分有關(guān)。繼續(xù)抽掉一部分氣體,重復(fù)上述過程,進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn),我們將會(huì)發(fā)現(xiàn),當(dāng)容器中的氣體越來越稀薄時(shí),縱軸上的截距趨于零,橫軸上的交點(diǎn)則趨于某個(gè)確定的值 。用不同的氣體重復(fù)進(jìn)行上述的一系列實(shí)驗(yàn),所得到的結(jié)果顯示出這樣一種趨勢(shì):當(dāng)氣體越來越稀薄時(shí), 其中 的數(shù)值與氣體的種類無關(guān)。于是,在氣體越來越稀薄的極限下,我們得到了一個(gè)與氣體的種類無關(guān)的氣體壓強(qiáng)系數(shù):對(duì)于蓋呂薩克定律,也可以在氣體的壓強(qiáng)不變的條件下進(jìn)行類似的一系列實(shí)驗(yàn)。在這種情況下,,所畫出的圖是 圖。與定容的情況相似,當(dāng)氣體越來越稀薄時(shí),橫軸上的交點(diǎn)趨于 ,與氣體的種類無關(guān)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論用何種氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不管是定壓條件還是定容條件,只要?dú)怏w足夠稀薄,都會(huì)得出這樣一種趨勢(shì):如上圖所示。綜合大量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,于1954年召開的第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式規(guī)定:這是所有氣體在越來越稀薄的極限下的共同特征,把具有這個(gè)共同特征的氣體稱為理想氣體。理想氣體是一個(gè)理想模型,在現(xiàn)實(shí)中不可能實(shí)現(xiàn),不過,絕大多數(shù)氣體在常溫常壓下都可以被看作近似的理想氣體,氣體越稀薄,與理想氣體的差別就越小。 把理想氣體的概念用到查理定律和蓋呂薩克定律上得到 受兩個(gè)公式最后的等號(hào)后面的表達(dá)式啟發(fā),定義一個(gè)新的溫度符號(hào):這是一個(gè)以 為零點(diǎn)的新的溫度符號(hào)。根據(jù)查理定律和蓋呂薩克定律,當(dāng) 時(shí),理想氣體的壓強(qiáng)和體積均等于。對(duì)于實(shí)際氣體,這當(dāng)然是不可能實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)樵诘竭_(dá)這個(gè)溫度之前,所有氣體都將液化。在更深入一步的課程中,我們會(huì)講到 是溫度下降的極限,大自然不可能降溫到這個(gè)溫度。由于這個(gè)原因, 的溫度就被稱為絕對(duì)零度,而以絕對(duì)零度為起點(diǎn)的溫度也就被稱為絕對(duì)溫度。絕對(duì)溫度的計(jì)量單位為 K,中文名稱叫做 “開” 或者 “開爾文”。在國(guó)際單位制中,規(guī)定用 K 作為溫度的計(jì)量單位。當(dāng)以絕對(duì)溫度來表示事物的溫度時(shí),水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為:由此看來,一個(gè)不依賴于測(cè)溫物質(zhì)的、統(tǒng)一的溫標(biāo)應(yīng)該根據(jù)理想氣體的特征來制定。
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