1848年開(kāi)爾文建立了熱力學(xué)溫標(biāo)
現(xiàn)在我們終于有了與測(cè)溫物質(zhì)無(wú)關(guān)的絕對(duì)溫標(biāo)，但我們還是不知道溫度的本質(zhì)是什么……小編并不是故弄玄虛地不告訴大家答案，而是人類(lèi)的確用了很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間去探索，已經(jīng)建立了很好的溫標(biāo)體系，但仍然不清楚最終的答案 。
那時(shí)人們已經(jīng)意識(shí)到，熱量代表熱傳遞的數(shù)量，與能量是相當(dāng)?shù)模鴾囟葎t代表熱的強(qiáng)度——這有點(diǎn)像水位與儲(chǔ)水量的關(guān)系，一個(gè)容器內(nèi)水位的高低固然與儲(chǔ)水量有關(guān)，但還與容器的大小，即橫截面有關(guān) 。水量的多少相當(dāng)于熱量，而水位的高度相當(dāng)于溫度 。其實(shí)這等于沒(méi)說(shuō)，水位的高度——熱的強(qiáng)度又是什么呢？
我們與連通器類(lèi)比一下，容器的形狀不同，但是如果他們之間是連通的，那么水位的高度就一定是一樣的，這是由于液壓導(dǎo)致的平衡狀態(tài) 。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，如果兩個(gè)物體相互接觸達(dá)到熱平衡，那么它們的溫度一定是一樣的，盡管熱量可能不同（這種經(jīng)驗(yàn)最終在1931年以熱力學(xué)第零定律的名稱(chēng)科學(xué)地表述了出來(lái)，因?yàn)樵谶壿嬌纤鼞?yīng)該在熱一律和熱二律之前，所以稱(chēng)為第零定律） 。這種現(xiàn)象背后的原因是不是像連通器一樣，溫度也有一種溫壓呢？導(dǎo)致兩個(gè)物理平衡后不是熱量均分（對(duì)應(yīng)連通器里水的體積）而是溫度相等（對(duì)應(yīng)水位高度） 。
連通器
那么這種溫度的壓力是什么呢？熱動(dòng)說(shuō)的進(jìn)一步發(fā)展必須深入到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀(guān)層次 。雖然原子的結(jié)構(gòu)要等到1897年湯姆生才發(fā)現(xiàn)電子，1912年盧瑟福才發(fā)現(xiàn)原子核，但不管原子是長(zhǎng)什么樣的，古希臘的哲學(xué)家們就已經(jīng)相信，物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)基本的原子組成的，并且原子處于永恒的運(yùn)動(dòng)之中 。1827年英國(guó)植物學(xué)家布朗在顯微鏡下觀(guān)察到懸浮在靜止液體里的花粉不停地左無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng) 。起初他以為花粉是活的，但塵埃顆粒也會(huì)如此，后來(lái)他才搞清楚，花粉是在周?chē)肿訜o(wú)規(guī)則地撞擊下運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)樗堰@種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為布朗運(yùn)動(dòng) 。1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表論文證明了原子存在的證據(jù)，并給出了布朗運(yùn)動(dòng)的理論解釋?zhuān)逊肿拥臒o(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為熱運(yùn)動(dòng)（有趣的是，同年愛(ài)因斯坦共發(fā)表了五篇論文，一篇是這里對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的解釋?zhuān)黄玫搅瞬┦繉W(xué)位，一篇解釋了光電效應(yīng)并因此獲諾獎(jiǎng)，一篇建立了狹義相對(duì)論，一篇提出了著名的公式E=mc2） 。
基于愛(ài)因斯坦的理論，我們認(rèn)識(shí)到：“熱量”就是熱運(yùn)動(dòng)的能量，即“熱能”，而溫度可以理解成“熱壓”，代表了原子的“平均動(dòng)能”，也就是平均每個(gè)原子所具有的動(dòng)能 。因此當(dāng)兩種物體接觸的時(shí)候，它們的原子動(dòng)能會(huì)達(dá)到一致，溫度也就相同了 。例如把一個(gè)冷的鐵球放到一杯熱水里，水分子溫度高，振動(dòng)更劇烈，它們迫使鐵原子也劇烈地振動(dòng)起來(lái)，最后達(dá)到相同的振動(dòng)動(dòng)能，這個(gè)過(guò)程中水分子所傳遞給鐵原子的動(dòng)能的量就是“熱量” 。
這里再稍稍深入一點(diǎn)，從熱動(dòng)說(shuō)的角度解釋一下比熱、潛熱和物態(tài)變化的內(nèi)在原因 。分子的熱運(yùn)動(dòng)的能量其實(shí)包含勢(shì)能和動(dòng)能兩個(gè)部分，你可以把它想象成一個(gè)懸掛在彈簧上的小球不斷地振動(dòng)，彈簧的勢(shì)能和小球的動(dòng)能不斷相互轉(zhuǎn)換 。分子熱運(yùn)動(dòng)的能量中勢(shì)能部分使原子趨于團(tuán)聚，動(dòng)能部分使分子趨于飛散，這兩個(gè)對(duì)立的因素總處于競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài) 。
大體說(shuō)來(lái)，當(dāng)平均動(dòng)能勝過(guò)勢(shì)能時(shí)，物質(zhì)就處于氣態(tài)；勢(shì)能勝過(guò)平均動(dòng)能時(shí)，表現(xiàn)為固態(tài)；二者相當(dāng)時(shí)，就表現(xiàn)為液態(tài) 。在物態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，例如冰融化為水時(shí)所吸收的“潛熱”，并沒(méi)有改變水分子的動(dòng)能（表現(xiàn)為溫度不變），而是用于水分子之間氫鍵等作用力的斷裂（相當(dāng)于拉伸彈簧，勢(shì)能增加） 。而由于不同物質(zhì)的密度、原子質(zhì)量等因素的不同，分子之間相互作用力導(dǎo)致的勢(shì)能不同（例如水的氫鍵），因此同樣溫度的情況下，盡管每個(gè)原子的“能量”是相同的，但整塊物質(zhì)所含有的“熱量”卻不同，這就很好理解了 。
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