
【化】 ideal gas thermometric scale
理想氣體溫标(Ideal Gas Temperature Scale)是基于理想氣體的狀态方程建立的一種溫度測量标準。它利用理想氣體的體積或壓力隨溫度變化的特性來定義溫度,是熱力學溫标(開爾文溫标)在實驗上的重要實現基礎。
定義與原理 理想氣體溫标的核心是理想氣體狀态方程: $$ PV = nRT $$ 其中 (P) 為壓強,(V) 為體積,(n) 為氣體物質的量,(R) 為普適氣體常數,(T) 為熱力學溫度。該溫标規定:在氣體體積(或壓強)保持恒定的條件下,溫度與壓強(或體積)成正比。通常以水的三相點(273.16 K)為固定參考點,通過測量氣體在待測溫度與參考溫度下的壓強比(定容)或體積比(定壓)來确定溫度值。
與熱力學溫标的關系 理想氣體溫标在定義上與熱力學溫标(開爾文溫标)完全一緻。理論上,任何實際氣體在壓強趨近于零時均逼近理想氣體行為,因此可通過精密的氣體溫度計實驗逼近熱力學溫度值。國際單位制(SI)的溫度單位“開爾文(K)”即基于此原理定義。
實驗實現:氣體溫度計 氣體溫度計分為定容型和定壓型:
重要性 理想氣體溫标為溫度測量提供了可複現的物理标準,是國際溫标(ITS)的重要溯源依據。其理論簡潔性與實驗可行性使其成為連接宏觀熱力學理論與微觀統計物理的關鍵橋梁。
參考文獻
理想氣體溫标是一種基于理想氣體狀态方程建立的溫度測量标準,具有理論和實際應用的重要性。以下從多個角度詳細解釋其定義、原理及特點:
理想氣體溫标通過氣體在壓強趨近于零時的極限行為定義。根據波義耳定律,一定質量的理想氣體在溫度不變時,壓強( p )與體積( V )的乘積為常數,即: $$ pV = text{常數} quad (text{溫度不變}) $$ 當溫度變化時,該常數隨之改變。理想氣體溫标規定溫度( T )與( pV )的乘積成正比,即: $$ T propto pV $$ 通過引入水的三相點(冰、水、水蒸氣平衡共存的狀态)作為固定點,并規定其溫度為273.16 K,最終得到溫度計算公式: $$ T = frac{pV}{p{text{tr}}V{text{tr}}} times 273.16 text{K} $$ 其中( p{text{tr}} )和( V{text{tr}} )為三相點下的壓強和體積。
理想氣體溫标通過氣體溫度計實現,具體分為兩類:
實際應用中,常用定容溫度計,因其操作更簡便且精度較高。
理想氣體溫标解決了經驗溫标(如攝氏、華氏)依賴特定物質屬性的局限性,為科學研究提供了統一的溫度标準。例如,國際溫标(ITS-90)在部分溫區直接采用氣體溫度計作為定義依據。
理想氣體溫标通過理想化氣體的普遍規律定義溫度,結合水的三相點作為基準,實現了溫度測量的客觀性和普適性。其理論嚴謹性使其成為連接實驗測量與熱力學理論的重要橋梁。
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