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1 # 郭哥聊科學
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2 # 語境思維
本題很棒!筆者認為,溫度是電磁波平均輻射動能的指標。
當然,教科書沒有現成答案,照本宣科的書呆子,是不可能回答此類問題的。
▲不同頻率的電磁波的色色彩與溫度不同。熱力學第一定律的溫度定義熱力學第一定律,基於能量守恆定律,或稱溫度定理:Ek=½mv²=1.5kT...(1),
其m,是某空間體系所含的實體粒子諸如分子原子或亞原子的質量;
其v,是它們的平均震盪速度;
其k,是玻爾茲曼常數或能溫當量;
其T,是該空間體系熱平衡時的絕對溫標。
將方程(1)改寫成:T=½mv²/1.5k...(2)
式(2)是溫度的定義,也叫溫度定理,即:
溫度是表徵實體粒子平均動能的指標。
不過,熱力學的溫度定理,只是採用唯象方法論對狀態函式的表述,沒有揭示溫度的本質。
光電效應方程的本質聯絡分子、原子或大粒子的熱運動,歸根結底,主要是電磁振盪,即核外電子的高速震盪。
電子震盪或旋進,會推壓真空介質的場量子做徑向推湧,表現為電磁波。與電子一樣,其它實體運動也會是真空場被激發出電磁波。
電子的繞核做準橢圓震盪時,有從近核點到遠核點進動的不同速度,因而表現出原子光譜的超精細結構。
原子光譜現象,是最典型的場效應,或者說,是光電效應的逆過程。電子激發電磁波的場效應方程是:Ek=Eγ,即:½m₀v²=hc/λ...(3)
式(3)中,Ek=½m₀v²是電子的旋進動能,而作為場效應的Eγ=hc/λ是場量子的輻射動能。
質量為m的實體運動激發電磁波的場效應方程是:Ek=nEγ,即:
½mv²=(m/m₀)hc/λ...(4)。進而有:
λ=2hc/m₀v²=ξ/v²...(5),其中的
場效應係數:ξ=4.37×10⁵[Jm/kg]...(6)
由於溫度是強度指標而非規模指標,故溫度只取決於電磁波的頻率或波長,或者只取決於電子隨同實體運動的速度。故:
½m₀v²=1.5kT=hc/λ...(7)
將(6)代入(7)有:1.5kT=hcv²/ξ...(8)
從方程(8)可得:T=hcv²/1.5kξ...(9)
方程(9)是用電磁波揭示溫度本質的溫度定理。
方程(9)作為溫度的姊妹定理:溫度是實體以平均線速度v激發電磁波輻射動能的指標。
推論:溫度與波長只與實體運動速度有關,與實體的質量大小無關,熱量與實體質量有關。
例如:質量1噸的導彈戰鬥部以1000km/s運動,使附近真空場被激發的電磁波,
輻射溫度:T=hcv²/1.5kξ=2.2×10⁴[K],即,如果導彈以3馬赫的速度飛行激發輻射動能的溫度在2萬攝氏度以上。
結語用統計熱力學原理,無法測算單個實體運動激發輻射動能的溫度,這不周延,是一大缺憾。
用電磁波頻率或波長來定義溫度,不知物理大家有何不同意見,敬請指教,不勝感激。
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回答:溫度是表達物體冷熱程度的物理量;從微觀上來說,分子的無規則運動叫做分子的熱運動,大量分子的運動遵循統計平均規律。也就是說,溫度是組成物體的微觀粒子的熱運動的劇烈程度的宏觀表現。
一、從分子熱運動的程度來看溫度從宏觀上看,溫度體現物質冷熱程度;從微觀上看與微觀粒子的平均動能的平均值相關。如果熱力學系統中的人一個都與參照的熱力學系統處於熱平衡狀態(溫度相等),則其相互之間也一定處於熱平衡。或者說,溫度相等是熱平衡的必要條件。
換個角度來說,同一熱平衡狀態的任何熱力學系統都具有共同的宏觀特徵,這就是熱平衡系統狀態擁有一個大小相等的狀態函式。這個函式就叫做溫度。
溫度體現了分子運動的平均動能,是大量分子熱運動的統計結果。對於真空來說,溫度就表現為環境溫度;環境溫度本質上是光子運動的平均動能,是大量光子熱運動的統計結果。
二、從統計力學來看溫度從統計力學來看,溫度與系統的熵及系統的動能有關,在系統體積及粒子數保持不變的情況下,體現為溫度是動能對於熵的偏導。
三、宇宙中溫度的極限理論上溫度的最大值是“普朗克溫度”,Tp≈1.42*10^32K。比這更高的溫度是毫無意義的,因為這是宇宙大爆炸第一個瞬間的溫度(第一個單位普朗克時間,大約為5× 10^-44秒)。
而理論上的低極點則是“絕對零度”,約等於零下273.15℃。任何物體達到了絕對零度,那麼它的所有分子和原子都會停止運動和釋放輻射。當然這是不可能的。絕對零度只能無限接近而無法完全達到。
總結,我們從前面的分析可以看到,溫度的本質和電磁波沒有一毛錢關係,它跟微觀粒子的動能有關,當然了電磁波也有動能,這是它們之間唯一的聯絡。希望看完本文,對您理解溫度能有個簡單的幫助。如果您需要更細緻一些的資料可以看我之前寫的文章《熱力學第零定律和溫度的定義》。