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在日常生活中，我们对温度的感知通常来自于比较：一个物体相对于某种物理性质或某种参考物的冷热程度，例如“穿暖和点，外面的水都结冰了！”或者“我女儿发烧了，39.5度。” 相比之下，热力学温度就是衡量一个物体所拥有的平均总内能的绝对度量，也就是它的动能（运动的能量）加上从其他因素中获得的能量。 18世纪的时候，法国物理学家Guillaume Amontons在研究空气的“弹力”时发现，相比于温暖的空气，冷却的空气对液体的推力更小，他因此推想，或许存在一种极低的温度，在这个温度下，就连空气都会失去弹力。这个“无限冷”的想法让许多物理学家着迷，1848年，开尔文勋爵发表了题为《论绝对温标》的论文，指出绝对零度事实上是-273摄氏度。 国际单位制中的热力学温度（绝对温度）的单位以开尔文勋爵的名字命名为开尔文（K）。绝对温标与摄氏温标使用相同的刻度间隔，只是绝对温标并不是将零点任意地设定为水结冰的温度，而是设定为物质可能具有的最低温度。 ○ 不同温度的物体会发出不同颜色的光。例如，红红的蜡烛光大约为1850K，晕黄的白炽灯大约为2800K，白色的日光大约为5000K。| 图片来源：Wikipedia 水的三相点 从1954年起，1K 就被定义为水的三相点的热力学温度273.16K的1⁄273.16。水的三相点是水的三种相（状态）——液态水、固态冰、水蒸气同时共存、处于平衡态时的温度。对于有着特定组成的水，在特定的大气压强下，三相点总是出现在恰好相同的温度：273.16K 。 然而，如何精确测量水的三相点温度呢？第一步自然是制造出同时稳定存在的水、冰和水蒸气的混合物。首先，在装置中央的管道通入干冰，让周围的水冷却结冰；因为这些冰最初存在缺陷和张力，会影响温度，所以需要冷却一段时间。然后，在测量前，向中央的管道中插入处于室温的玻璃等设备，让包裹的冰的最内层略微融化，这样冰层就能够在周围自由转动。这时，就可以用标准铂电阻温度计测量水的三相点温度了。 ○ 测量水的三相点温度的方法。| 图片来源：NIST 从水的三相点温度外推到更宽广的温度范围是有问题的。因此，我们需要许多其他的点来共同校准温度，比如金的凝固点（1337.33 K）、氧的三相点（54.3584 K）等。 然而，测量水的三相点需要使用的水必须具有特定的组成，水中氢和氧的同位素有着严格的比例要求：每1mol 1H中含有0.00015576 mol 的2H，每1mol 16O中含有0.0003799 mol的1017O，每1mol 16O中含有0.0020052 mol 的18O。 ○ 测量水的三相点时使用的水具有非常严格的要求。| 图片来源：NIST 因为我们不可能制备出具有完全相同组成的水的混合物，随着设备的不同，热力学温度的测量不可避免地会出现微弱的差别。那么，我们有更好的办法来定义热力学温度吗？ 11月16日，在第26届国际度量衡大会中，1K被重新定义： 1.380649×10-23 J / kB 其中kB是玻尔兹曼常数，它的数值为1.380649 × 10-23J·K-1（焦耳每开尔文）。 玻尔兹曼常数 那么，什么是玻尔兹曼常数？又如何精确测量玻尔兹曼常数呢？简短的答案就是，玻尔兹曼常数是将物质的动能（E）和它的温度（T）联系起来的常数：E=kBT。（玻尔兹曼常数是热力学中不可或缺的工具，它是以统计力学的先驱之一——奥地利物理学家路德维格·玻尔兹曼的名字命名的。） 热力学温度描述的是一群原子和亚原子粒子（例如一块铁中的原子，一个房间里的空气分子）的平均能量，表示为绝对零度以上几个开尔文。 ○ 平移运动：气体中的原子和分子沿着各个方向飞速移动，彼此碰撞，也与容器壁碰撞反弹。| 图片来源：Sean Kelley/NIST 通常，大多数物体的动能包含在平移动能里，也就是物体在空间平行移动具有的能量。气体中的原子和分子沿着各个方向飞速移动，彼此碰撞，也与容器壁碰撞反弹。单个原子和分子的移动速度不同，但是对于某个确定温度下的大量原子和分子，它们的速度可以通过统计和概率的方法来描述，结果表明，粒子的速度（能量）和数量分布遵循所谓的麦克斯韦-玻尔兹曼分布。这意味着，大多数粒子分布在一段特定的速度区间里。 ○ 粒子的速度和粒子的数量分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布 ○ 粒子的速度和粒子的数量分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布。| 图片来源：Curt Suplee/NIST |
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