从物理上讲,温度的实质上是指什么?

温度这个量很麻烦。

温度目前最好的定义就是热力学第二定律给的,最好的温标也应该是热二律和热三律给的开氏温标。问题不是出在这个地方,问题出在温度这个物理量的有几种表述没有完美的统一起来(之前问过以为前辈,表示无能),而且温度有没有一个协变的性质,大家还在吵。关于坐标变换下如何变化这一点,我们现在可能还没有很迫切的需求吧,但是我想不久的将来,我们很可能会遇到这个问题。

或许Wick 转动是一个突破口?

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22个答案
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bay618粒子物理博士

2013-07-08 14:21

你这个问题挺深刻的, 温度这个量的确很难处理.
首先的问题是 它从能量而来, 有能量的量纲, 但又不是能量的导出单位, 而是七大SI单位之一, 是比能量更基本的单位.
第二个问题是 热二定率给出温度 的定义是能量对熵的偏导. 熵是状态数不能通过其他单位组合而来, 往往越是基本的越不易理解, 为了方便, 用易于测量的温度和能量组合成了熵的单位
前面列出两个很难理解的问题, 更加那啥的是这两个自身难保, 看似不相关的东西实际上是同一个物理量, 两物体接触时候居然是这个量相等...
可能在统计力学基本公式中有一些不明显不直观但数学上成立的关系式吧

wick 转动不太理解, 对基础问题也没有思考得太深. 但有一个没跟人讨论过的想法是, 如果把kT 组合成一个物理量, 比如beta =-1/kT, 那么玻尔兹曼常数k就成了无量纲的1, 熵也成了无量纲的lnW, 热力学中的很多公式都变得很简单了

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对于理想气体来说温度最为直观,是热平衡时各种分布函数中的一个重要参数。一个直观点儿的图:

上图就是统计物理中的玻尔兹曼速度分布(和速率分布不同,注意区分),是个高斯线形,v是速度,f(v)是概率密度。kT就在e指数的分母上,k即玻尔兹曼常数。气体里面动能等于kT时,f(v)的取值即最大值f(0)的1/e。温度直接决定了这个分布每个位置的宽度,温度越高,分布越宽。

对于液体和固体来说,分布也与此类似,不过动能项要被替换为包含动能和各种相互作用能量的总能量取代。精确一些,玻尔兹曼分布是“玻色-爱因斯坦”分布(玻色子服从)和“费米-狄拉克分布”(费米子服从)在内能较大时的近似。但是kT同样决定了两种分布的宽度性质。

总之,因为k是常数,kT决定了各种多体系统的能量分布的宽度,因此T直接决定了能量分布的宽度。

虽然是SI基本单位之一,但在微观上温度够不够基本,我倾向no。这是一个多体的物理量,完全由多体的统计物理规律决定,而不是单体的,这点和电流很像(电荷才是更基本的)。但定义这个物理量使用起来确实很方便。你提到的Wick 转动我觉得跟关系不大,它只是一个坐标变换。到是路径积分描述的量子多体理论有可能给出温度更好的定义(即多体的统计性质会不会还原成单体的probability distribution,我倾向这个)。


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寻觅黑暗理论物理——专业YY

2013-07-09 22:46

从热力学统计物理,也是人们最熟悉的角度来说,温度是系统的平均动能体现。

从量子场论的角度来说,温度与真空中的quantum fluctuation 相关,直接决定了虚粒子对的产生几率。这一点做宇宙学的应该很熟悉,从大爆炸到今天的温度,宇宙背景辐射的推导之类的,都是依赖于此。

从基本的量子场论到有限温度的量子场论,我们发现温度其实只是虚时间。这就相当于你说的Wick转动了。热力学里面那些系综统计规律,都可以与作用量S和配分函数Z联系起来。

回到狭义相对论,虚时间代表的是时间与空间维度的等同性(从boost到rotation不变性)。

黑洞温度的一种推导方式,就是从(欧氏空间中)视界上没有奇点(conical singularity)出发的,所以温度又跟时空性质直接相关。


最后我只能说,你这个问题太深刻了……

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支持者: 举报狂魔blindmouse

诶?温度的本质不是分子平均平动动能么?

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感觉“温度”这个词像是为了表达感觉而产生的,是分子平均动能的衡量变量。

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热力学第零定律有详细关于温度的本质定义,温度实质是一个态函数

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温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度.物理书如此回答。

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开尔文说的温度是种标度,用来标定热量流动的方向。朗道的说法是熵对于能量的导数。他是一个纯粹的统计性质的量,只对宏观物体才有意义。

所以个人认为物理学的温度并不代表着冷热,也不完全是运动剧烈程度的体现,只是大量粒子表现出的某一种宏观性质。就比如热零律中表示的温度相同的物体,他们只是在“温度”这方面有相同的性质。物态方程,配分函数可能完全不同。

热三律的意思也可以理解为,物体不可能通过有限步获得温度为0K的物体的那些性质。而不单是“冻结”一个物体。就像费米子在0K时也是有能量的,但是我们不能获得这样状态的粒子。

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今天气温是多少?我想本质是指大气分子运动的剧烈程度。分子运动越快,我们感受到他们撞击的力度就越大,也就是气温就越高。在物理的定义方面,我不熟悉。。

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AS001为科学之美着迷 又贪恋人间灯红酒绿

2013-07-08 18:59

温度是物体分子运动的平均动能,也就是说不是一个被“测量”出来的值,而是一个被“计算”出来的值,可以用来表述宏观物体,而在分子层面只有统计学上的意义。

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我觉得要表达的就是一种能力的聚集状态,这种状态在某种程度上市可以感知的,某处的能量多了那么那里的温度就高,反正就低。但是在这个系统中要有一种平衡的关系在里面,于是,绝对的低温是不存在的绝对的高温也是不存在的。

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忘记之前看的啥东西了,说是温度是因为“熵”的不平均,所以才会有热量差……其中一种表现方式就是温度

不负责任猜测,等砖家解答

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温度太复杂了。。人类第一次使用温度这个词是在热力学第零定律引出来,之前都没有温度这个词的。我觉得温度表示是两个物体之间有没有传热的一个标志吧。。。。欢迎拍砖!!

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有部纪录片专门讲这个问题,你自己找找吧

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应该是分子热动能和势能的描述吗?
话说温度越高,能量越大!
能量和温度应该有某种关系。。。

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我喜欢回答差评的多的问题。

马赫有一本书是谈这个物理概念的实在意义的。温度单位产生肯定有其历史原因。
所以不要太纠结他的完美。

我说一下个人感受。
温度是衡量冷热。从熵可以看出是说运动剧烈程度,不动是热寂是绝对零度。

但我个人觉得说温度描述的是粒子碰撞的程度。更有实在的意义。

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雪鹰falcon飞行器设计硕士在读

2013-07-08 12:27
支持者: 相見V懷惗

温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。从分子运动论观点看,温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。对于个别分子来说,温度是没有意义的。

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温度的本质是直接或者间接吸收或散失了多少太阳能。

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