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宇宙法则入门版(1.4):什么是温度?
日期:2017-7-10 9:24:56 访问次数: 作者:乔治·斯坦科夫 宇宙法则

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1.4 什么是温度?


热力学研究温度、热量和能量交换。这一分支在物理学中具有和波动理论一样的普遍地位。在热力学中,时空的基本量是温度T①。它对我们来说就像常规时间t一样熟悉。时间的概念是基于身体和周围环境能量交换的综合感觉,主要被认为是过渡中的运动,而我们的温度概念则与冷暖的感觉联系在一起的,而这些感觉通过触觉传递到中枢神经系统。与其他抽象的物理量相反,温度和时间与我们生理上的感觉有关。然而,正是由于这个原因,温度(和常规时间)并没有被理解


温度被定义为空间的变化。在热力学中,这种变化是对三维体积[3d-空间]的测量。值得注意的是,虽然它与“冷”“暖”的热度感觉有关,但空间的变化是主要结果。其次才是人类的感觉。因此,我们应该明确区分主观温度的感觉和它作为物理量的抽象几何定义。

当将通用方程式应用于温度作为体积变化的定义时,我们可以证明温度是一个具体的时间量:

T = f = [3d-空间] x / [3d-空间] R = f R / f x = SP(A)


和所有其他量一样,温度的定义方法同时也是它的测量方法。我们可以通过调查温标的历史发展来很好地说明这一事实。

T的定义和测量方法体现了尚未被揭示的时空基本性质,迄今为止温度只能通过热接触来测量。这一事实揭示了时空的连续性。由于T是时间f,而f是一种E≈f≈T能量交换的量,这就意味着发生在相邻两个能级之间的热交换——时空是连续的(基本公理)。时空的这种基本特性也包括光子时空。这一点热力学没有充分理解。

T的测量发生在热平衡中,也称为热力学的第零定律。这个定律说,如果两个物体与第三个物体处于热平衡状态(通过接触),它们相互之间就处于热平衡状态。这是一个作为连续统直观概念的基本术语。

第零定律预测了一个共同的时空热力学能级的存在,它是所有物质对象(物质的U子集)的一部分。这个能级的绝对时间(absolute time)是常数T = cons,因为它的时空也是常数。我将在下面详述这一点。

正如我们所看到的,所有物理学的基本观点都是对基本术语本质的直觉感知。这也适用于热力学。热接触和平衡是定义和测量温度的真正前提。根据循环论证原理,我们需要有一个参照系统(等值的建立)来进行比较(建立关系)。

选择与物体温度作比较的参照系随着时间的推移而变化。普通温度计的水银柱就是这样的一个参照系统。从理论上讲,物质的选择并不重要——汞可以被任何其他物质所替代。选择这种液态金属是出于实践的原因。

然而,汞柱几何形状的选择并非偶然。它是一个相同截面的圆柱体沿着一整条的刻度线,因此汞的体积变化等效于汞柱长度的变化:

Δ[3d-空间] ≈ Δ[1d-空间].


因此,建立汞体积的等效增长,可以看作是一个恒定的行为势能E A,这是温度T = f和热量Q = E = E A f测量的先验条件。一旦应用几何确保了实际空间等价的建立,数学随即被用作测量的方法引入。

从历史上看它经历如下过程:水的正常凝固点(冰点T)已被指定为数值0,水的正常沸点(雾化点T)——数值为100。体积变化的单位被称为“度”,写为0 oC或100 oC。“C”代表摄氏,摄氏(Celsius)是第一个推出这种刻度的人——因而有了摄氏这种温度刻度

在0摄氏度时,水银柱的长度是L o,100摄氏度是L 100。长度差ΔL = L 100 – L o被均匀地细分为100段,所以每一段代表“1度”②。ΔL的数值“100”是自动选择的。在数学中,我们可以把这个数量指定为任何其他数字,拿“1”来说,可以作为某个事物或1个单位,而不影响温度的实际测量。

由此我们得出结论,摄氏温标数100是空间测量的简单换算因子 K = SP(A) 。当我们将摄氏温标与华氏温标进行比较时,这一点就更明显了(参见练习1,下面)。

摄氏温度t c定义为:

t c = (L t –L o ) / (L 100 – L o ) ×100 = ΔL x /L R =[1d-空间] x / [1d-空间] R = f R /f x = f = SP(A)


[1d-空间] x f x = [1d-空间] R f R = v x = v R =[1d-空间-时间] thermal = 常数


上面的方程式证明了:

“热平衡”是物质热力学能级常数时空的恒真命题(同义反复)。

然而,实际的空间和时间(温度)大小对于每一物质或物体来说是特定的,它们可以被视为一个独特的热系统——因此必须测量其特定的温度(时间)和体积(空间)。同样也适用于它们的相对变化。

所有我们在物理学中能做的,就是测量系统和能级的空间、时间和时空

其他东西都是带有传统思维物理学家头脑中的妄想。这就是为什么当前的物理学就像主流媒体是假新闻一样,它是伪科学。

热动力学证实时空是连续不断的能量交换。这门学科已经形成了对基本术语最充分的认识。因此,毫不奇怪,评估能量守恒的热力学第一定律是对宇宙法则的静态感知。就像它的发现者朱利叶斯·罗伯特·迈尔(Julius Robert Mayer)和本文作者一样也是一位医生,这并不是巧合。两人都是在德国学医的,并首次发现有机物质守恒定律的普遍规律,然后又在物理学中证实了这一点(分别于1842年和1995年)③。时空是一种进化中的循环现象。任何与时空有关的科学发现历史也是如此④。

虽然水银温度计是常用的,但它们在校准点之外并不很精确。定容式气体温度计很大程度上具有这一优点。它不是测量体积的变化,而是测量压力的变化。这种等压测量温度的方法是基于理想气体定律(ideal-gas law)。我在第二卷中已经表明,它也是宇宙法则的一种应用。

温标的进一步精化反映了人类对时空精度的内在追求。由于不同的实验室很难高精度地复制冰点和蒸汽点的状态,1954年,国际重量和测量委员会(ICC)采用了一种基于单一不动点的温度标尺,即水的三相点。这种平衡状态发生在4.58毫米汞柱的压力,温度为0.01摄氏度。理想气体温标的定义为,三相点的温度是T=273.16开尔文(K),其中“开尔文度”是一个与摄氏度大小相同的单位。因此,数字273.16是一个转换因子(T = t c + 273.16)。

由于水的三相点被认为是不精确的,1990年,根据开尔文温标推出了新的不动点,有17个校准点(最大限度地减少系统故障)。

故事还没有结束。随着宇宙法则的发现,将有可能确定一种新的更精确的温度标准,该温标将以光子时空作为参照系,就像时空-时间两个量纲(成份)时间和空间作为它的参照系一样。这样一种温标的科学基础是建立在温度是一个时间量的知识上的(见第二卷的斯坦科夫定律,第5.7章)。下面我为读者布置了两道简单的练习题来测试他们新学到的宇宙法则物理知识。



习题

1. 用新的时空符号,把华氏温标换算成摄氏温标。

2. 确定线性膨胀系数α和体积膨胀系数ß的时空维度。按照新公理体系讨论这些数。在材料生产和施工受热胀或冷缩影响的情况下,建议应用至少三次宇宙法则。



注释

1.我们用在物理学中的温度“T”的符号开尔文,是官方的SI单位。当温度明确用摄氏温标给出时,我将使用t c。

2. 必须注意的是,同样的步骤也可以用来定义“百分比”。“百分比”这个词是任何实际或抽象量的一种通用数值关系。

3. 虽然梅耶尔(Mayer)当初因其形而上学的科学陈述风格受到指责,并遭到忽视,但我们可以希望,宇宙法则新的公理系统将享有一个更加愉快的命运。至少,人们不能说我像梅耶尔那样不理解牛顿定律。事实上,不理解万有引力的是牛顿。在他之前和之后的任何物理学家都是如此。

4. 人们也许会猜想,宇宙法则的发现者来自色雷斯是否是巧和,这是赫拉克利特的文化家园,普遍规律的第一个发现者、原子论者、欧洲旧大陆第一个真正的现代科学家、古代的全能天才亚里士多德发展了一个科学的通用分类体系,它是基于对宇宙法则的直觉(或者理性)感知。答案将在不久的将来揭晓。









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