2015年4月2日

溫度的物理意義

作者/曾耀寰(任職於中研院天文所,《科學月刊》總編輯、《物理雙月刊》總編輯)

巨觀 vs 微觀
我們要研究任何物理現象,第一步先將待研究對象從周遭環境分離出來,通常區分出來的待研究對象稱為系統(system)。接下來就是對該系統的各種行為、系統和環境的交互作用做出量化的描述。這些量化的描述可以是巨觀的(macroscopic), 也可以是微觀的(microscopic)。

例如研究一顆籃球,我們就可以把籃球當成系統,描述這顆籃球可以用體積的大小,對它在空間中佔了多少位置進行測量,最簡單的方式就是利用阿基米德原理,藉此甚至可以得到不規則形狀(如果氣沒有充滿)的籃球體積。除此之外, 我們還可以用籃球的質量、籃球裡頭的壓力和溫度,來描述這顆籃球的狀態。打氣筒對籃球打氣,籃球的體積、壓力、質量,甚至裡頭的溫度都會改變,這些量化的數值可以清楚描述系統和環境之間交互作用的程度。

我們也可以只測量籃球的位置和速度,然後看看籃球隨時間的位置和速度變化,這是研究籃球運動學所需要的,可用來描述籃球投出後的優美弧線軌跡。但如果是研究籃球的熱行為,位置和速度就不是好的量化描述。例如從環境對籃球打氣,可以增加籃球內部的壓力,但籃球並不會因此而移動位置。從這個例子可以知道熱力學是研究系統的內部狀態,不像動力學是要描述系統外在的動態變化狀態。上次提到溫度的測量根基於熱平衡(thermal equilibrium) 原理,屬於系統和環境的內在狀態改變,當待測系統和溫度計(或測溫器)達到熱平衡,二者溫度相同。溫度計藉由特定物理原理,而得到的自身溫度,也就是待測系統的溫度。

描述系統的熱狀態,可以用一些巨觀的物理量,例如溫度、壓力、體積和質量,如果這些描述用的巨觀物理量在外在環境不干擾系統的情形下,沒有產生變化,我們稱系統達到平衡。如果說兩個系統相互接觸,經過一段時間後,雙方的狀態都沒有變化,或者說雙方可測量的特性(例如壓力)不再改變,我們稱這時雙方系統的溫度相同,這兩個系統達到了熱平衡。熱學的研究主要都要先處在平衡的狀態。......【更多內容請閱讀科學月刊第544期】

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