自焦耳之后，我們終于可以得出關(guān)于熱的本質(zhì)的一個(gè)結(jié)論：熱是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，它與宏觀運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)換的 。這一結(jié)論在今天看來雖然是沒錯(cuò)的，但顯然還不夠深刻 。人類的認(rèn)知還在繼續(xù) 。
熱動(dòng)說的確立使得人們對(duì)于熱的本質(zhì)邁出了巨大的一步，但此時(shí)我們必須停下來再看一下另一條線索——“溫度”的本質(zhì)了 。讓我們從第二節(jié)結(jié)束的地方接續(xù)起來，為了找到一種不依賴于物理屬性的理想溫標(biāo)，人們發(fā)現(xiàn)不同的氣體的溫標(biāo)彼此總是較為接近的，所以人們?cè)噲D回過頭去尋找有關(guān)氣體和溫度的研究 。
氣體三大定律發(fā)現(xiàn)人：玻意耳、查理、蓋呂薩克
時(shí)間回到1662年，這一年玻意耳發(fā)現(xiàn)，在溫度不變的情形下，一定量氣體（與氣體種類無關(guān)）的壓強(qiáng)和體積的乘積總是一個(gè)定值，稱為玻意耳定律；一百多年之后，1787年，查理定律表明，在體積不變的情況下，一定量氣體的壓強(qiáng)隨溫度線性變化（看起來挺簡單的實(shí)驗(yàn)，為什么要等一百多年才做出來呢？結(jié)合溫標(biāo)的發(fā)展歷史，大家自己想想看）；1802年，蓋呂薩克定律表明，在壓強(qiáng)不變的情況下，一定量氣體的體積隨溫度線性變化 。以上三大定律都與氣體的種類無關(guān) 。這三大定律直接導(dǎo)致了絕對(duì)溫標(biāo)和絕對(duì)零度的誕生 。
下面這一段我將會(huì)使用少量的小學(xué)數(shù)學(xué)工具去分析以上三個(gè)定律，并由此告訴大家絕對(duì)零度的來歷 。不喜歡數(shù)學(xué)的同學(xué)也可以直接跳過這一段 。
人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體非常稀薄的時(shí)候（這一條件是為了保證氣體是理想氣體，即氣體分子之間的相互作用忽略不計(jì)），查理定律和蓋呂薩克定律的線性系數(shù)都趨近1/273 。細(xì)節(jié)是這樣的：我們?nèi)?℃時(shí)的氣體壓強(qiáng)和體積作為基準(zhǔn)，比如0℃時(shí)我們說氣體的體積是1，壓強(qiáng)也是1——于是查理定律表明，體積不變的情況下，當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，壓強(qiáng)變?yōu)榱?+1/273，當(dāng)溫度升高5℃時(shí)，壓強(qiáng)變?yōu)榱?+5/273，就是這么簡單 。無獨(dú)有偶，蓋呂薩克定律表明，當(dāng)壓強(qiáng)不變的情況下，溫度升高1℃時(shí)，體積變?yōu)榱?+1/273，溫度升高5℃時(shí)，體積變?yōu)榱?+5/273！
那這個(gè)系數(shù)1/273是什么呢？敏銳的同學(xué)肯定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這不就是絕對(duì)零度嘛（現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，絕對(duì)零度是-273.15℃）！為啥叫做絕對(duì)零度呢？因?yàn)槟憧矗陨w呂薩克定律為例，當(dāng)溫度下降1℃時(shí)，體積變?yōu)榱?-1/273，那當(dāng)溫度下降273℃時(shí)，體積豈不是變?yōu)榱?-273/273=0了嗎！因此人們說，這個(gè)溫度是不能企及的最低溫度，稱為絕對(duì)零度 。
所以說，絕對(duì)零度是根據(jù)三大氣體定律外推出來的一個(gè)數(shù)值，在當(dāng)時(shí)并不是有什么理論推導(dǎo)也不是因?yàn)榻档胶艿蜏囟冉挡幌氯チ巳缓笳f是絕對(duì)零度，而完全是由簡單的氣體實(shí)驗(yàn)外推出來的一個(gè)使得氣體的體積和壓強(qiáng)都變?yōu)?的“假想”的溫度，事實(shí)上，在達(dá)到這一低溫之前氣體早已液化或固化了，人們此時(shí)也并不知道所謂“絕對(duì)零度意味著所有原子停止運(yùn)動(dòng)”這一說法 。但我們將在下一節(jié)知道這一溫度是所有可能達(dá)到的溫度的最低極限 。1954年經(jīng)重新核算并為國際計(jì)量大會(huì)正式規(guī)定的數(shù)值為：-273.15℃ 。
絕對(duì)零度為0K（開爾文溫標(biāo)）、-273.15°C（攝氏溫標(biāo)）或-459.67°F（華氏溫標(biāo)）（來源sciencenotes.org）
1834年克拉伯龍使用三大氣體定律建立的溫標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo)，也就是大家熟知的理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT 。這個(gè)溫標(biāo)已經(jīng)朝擺脫具體測溫屬性的方向邁出了一大步 。1848年開爾文在卡諾定理的基礎(chǔ)上建立了熱力學(xué)溫標(biāo)（也叫絕對(duì)溫標(biāo)、開爾文溫標(biāo)），只需要規(guī)定水的三相點(diǎn)（簡單理解就是水的冰點(diǎn)）的溫度為273.15，就可以得到所有的溫度 。具體操作有一點(diǎn)復(fù)雜，需要一些附加知識(shí)，有興趣的同學(xué)可以去查有關(guān)卡諾定理和熱力學(xué)溫標(biāo)的有關(guān)資料 。對(duì)我們現(xiàn)在的計(jì)算而已，只要把攝氏度減去273.15就可以得到絕對(duì)溫度，單位為開爾文（K） 。
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