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2015-04-01溫度的物理意義
544 期
Author 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。
我們上次介紹溫度的量測，也許你會問：我們用感覺、用手就知道物體或天氣的冷熱，又何必用了一堆物理定律去測量溫度的多寡。
用數字瞭解現象，甚至說用數學瞭解大自然是科學的第一步驟。伽利略曾說：「大自然被寫在這本宏偉的書本中，它在我們的眼前持續地開展著⋯ ⋯ ，這本書是以數學語言寫成的⋯⋯ ，沒有它，人類就不可能理解大自然的隻字片語。」更何況我們上次提到，人的冷熱感覺並不可靠，透過儀器才能客觀地紀錄冷熱程度。那麼，即使知道溫度的多寡又如何？溫度除了代表冷熱程度，還能體現肉眼看不到的原子分子運動，以及相對應的能量。巨觀的溫度如何和微觀的原子分子連接在一起？這是熱力學以及統計力學研究的內容。
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】