THANG NHIỆT ĐỘ PHỔ QUÁT
Chừng nào người ta vẫn gắn nhiệt độ với nhiệt lượng thì vấn đề về ý nghĩa vật lý của nó chưa thể đặt ra. Đến khi hiểu ra rằng nhiệt và nhiệt độ không phải là một, thì ý nghĩa vật lý của nhiệt độ cơ hồ bay hơi hết! Thực ra người ta bắt đầu nói tới nhiệt độ như mức độ nóng. Vậy mức độ nóng là gì?
Trước kia người ta hiểu mức độ nóng là nhiệt lượng: nhiệt lượng trong vật càng lớn, thì nhiệt độ của nó càng cao. Nhưng một cốc nước và một nồi supde khổng lồ ở cùng một nhiệt độ thì có nhiệt lượng khác hẳn nhau. Nhiệt còn có những tính chất nào nữa? Chỉ Carnot là đoán nhận ra khả năng nhiệt tồn tại ở các trạng thái khác nhau và ông gọi đó là phẩm chất khác nhau của nhiệt khi ở nhiệt độ khác nhau. Về sau Clausius, dựa trên các khái niệm động học, đã liên hệ các phẩm chất ấy của nhiệt với mức độ trật tự trong chuyển động của các hạt vật chất. Phẩm chất đó có thể coi là nhiệt độ theo một nghĩa nào đó.
Chính việc có phẩm chất khác nhau của nhiệt là cơ sở cho tính độc lập của hiệu suất hữu ích máy nhiệt lý tưởng với tính chất của vật liệu hoạt động việc trong nó - điều đã được Carnot khám phá ra (xem phần ''Chu trình Carnot''). Kết luận căn bản ấy cho phép W. Thomson đưa ra chứng minh của mình: có thể thiết lập một thang nhiệt độ tuyệt đối và phổ quát - thang nhiệt độ động lực học''. Ông lập luận thế này: Trong chu trình Carnot nhiệt mất đi, công thu được và nhiệt độ liên hệ với nhau bằng một hàm số phổ quát cho mọi máy thuận nghịch. Nhiệt và công thì được người ta đo độc lập nhau. Nghĩa là nhiệt độ có thể biểu thị qua nhiệt và công một cách phổ quát. Ngày nay đã có thể dễ dàng nói rằng người ta đo nhiệt độ bằng các đơn vị năng lượng vì cả nhiệt lẫn công đều là những dạng thức khác nhau của năng lượng. Nhưng vào thời kỳ Thomson đưa ra thang nhiệt động lực học của mình (1848) thì ông vẫn coi nhiệt là chất nhiệt và đã định nghĩa độ nhiệt như sau: ''Tất cả các độ có cùng một độ lớn nghĩa là một đơn vị nhiệt, ''rơi'' từ vật A ở nhiệt độ T sang vật B ở nhiệt độ (T- 1) theo thang đó, sinh ra cùng một công cơ học dù giá trị của T là thế nào đi nữa. Chính thang đó có thể coi là tuyệt đối và phổ quát vì nó chẳng phụ thuộc gì vào các tính chất vật lý của bất cứ chất nào''. Nói khác đi ông đề xuất dùng chu trình Carnot làm nhiệt kế vạn năng.
Tất nhiên điều đó không có nghĩa là giờ đây phải đo nhiệt độ bằng máy nhiệt. Chẳng qua cách thức ấy bộc lộ bản chất đúng đắn của nhiệt độ, không dính dáng gì với cơ cấu cụ thể của nhiệt kế. Song chính ở đây mà việc xác định nhiệt độ lại thành ra tuỳ tiện: l) đã khẳng định rằng mọi độ nhiệt là bằng nhau, song bản thân đại lượng độ nhiệt lại chưa thiết lập được, 2) thả tự do cho việc chọn điểm mốc đếm nhiệt độ. Vì thế cần phải xây dựng một thang mới sao cho giống nhiều nhất với một thang cũ nào đó, thang nhiệt kế khí chẳng hạn. Thử qua nhiều phương án cuối cùng Thomson xác định tỷ số nhiệt độ thông qua tỷ số các nhiệt lượng trao đổi trong chu trình Carnot:
T1/T2 = Q1/Q2
Với T1, T2 là nhiệt độ các nguồn nóng và nguồn lạnh tương ứng). Q1 là nhiệt lấy đi từ nguồn nóng, Q2 là nhiệt truyền cho nguồn lạnh.
Về điểm mốc tính, W.Thomson lấy hiệu nhiệt độ giữa điểm tan băng và điểm sôi của nước ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn, và đề nghị nó bằng 1000. Kết quả là thu được một thang nhiệt động lực học T (đo bằng kebvin ký hiệu là L), trùng với thang nhiệt kế khí t0C về đo bằng tỷ lệ xích nhưng với giá trị không tuyệt đối bị xê dịch:
T(K) = t(0C) + 273,15.
Đó gọi là thang tuyệt đối của Kelvin mang tên người sáng tạo ra nó là William Thomson tức Huân tước Kelvin. Điểm không tuyệt đối của nhiệt độ hoặc điểm không theo thang Kelvin, bằng - 273,150 theo thang Celsius.
Ngày nay điểm mốc tính được chọn là điểm bội ba của nước T = 273,16K (hay t = 0,010C) - là nhiệt độ ở đó cùng lúc cả 3 pha băng, nước và hơi tồn tại ở trạng thái cân bằng - là điểm khá dễ dàng lặp lại trong các điều kiện phòng thí nghiệm. Hệ thức (1) thể hiện thực chất của nhiệt động lực học, cho phép dễ dàng hiểu rằng không thể đạt tới độ không tuyệt đối vì không thể tiêu tốn một công lớn vô hạn. Thực vậy, sau mỗi chu kỳ Carnot, thu nhiệt từ một nguồn và nhả nhiệt cho nguồn khác, hạ thấp nhiệt độ không phải là xuống một lượng xác định, mà chỉ là một số lần xác định. Bởi thế đạt tới điểm không nhiệt đó thì cần thực hiện một số vô hạn bước, mỗi bước thực hiện một công hữu hạn!
CÓ HAY KHÔNG MỘT NHIỆT ĐỘ VŨ TRỤ
Toàn bộ thể tích vũ trụ ta quan sát được chứa đầy và đồng đều một thứ bức xạ tàn dư, một thứ khí lý tưởng cân bằng của các photon vũ trụ và cả khí nơtrinô nữa.
Hoá ra bức xạ ấy có thể mô tả như bức xạ của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 2,7 K, được coi như nhiệt độ của Vũ trụ. Ta giả định khí photon có ''tính lý tưởng'' bởi lẽ các photon không hề có tương tác nào cả với nhau. Tính đều và cân bằng của bức xạ tàn dư sinh ra ngay từ giai đoạn đầu trong sự tiến hoá của Vũ trụ, gắn liền với các quá trình tương tác rất mạnh với vật chất bao quanh: Trong điều kiện của một ''Vũ trụ nóng'' thì chính các quá trình sinh và huỷ các cặp hạt - phản hạt đã đóng vai trò của sự hấp thụ và phát xạ.
Vũ trụ càng nở rộng, tức bán kính R của nó càng tăng lên thì bước sóng của các photon tàn dư cũng tăng lên (
), tần số v và năng lượng 
= hv bị giảm ( ~ v ~ 1/R). Theo định luật dịch chuyển Wien thì nhiệt độ T của bức xạ phải giảm (T ~ 1/R). Khi nhiệt độ của Vũ trụ giảm tới 5.109K (tương ứng với khoảng năng lượng photon 0,5MeV) các quá trình tương tác của bức xạ với vật chất coi như chấm dứt vì năng lượng ấy đã không đủ để sinh ra nổi các cặp hạt nhẹ nhất: cặp electron - positron.
Từ thời điểm ấy bức xạ tàn dư trở thành một hệ cô lập theo quan điểm nhiệt động lực học. Vũ trụ chẳng có vách ngăn và chẳng đủ lượng vật chất (các dao động tử) để ''trợ giúp'' photon cân bằng nhiệt độ với môi trường vật chất xung quanh (đóng vai trò bộ ổn nhiệt). Ngược lại bức xạ tàn dư tự biến thành một bộ ổn nhiệt và tiêu tán (thải) nhiệt dưới dạng bức xạ từ các quá trình bất thuận nghịch xảy ra trong Vũ trụ.
Trong quá trình tiến hóa Vũ trụ, bức xạ tàn dư trải qua sự giãn và co đoạn nhiệt. Đúng vậy, vì T~1/R, mà V ~ R3, thì T3V = S = const, trong đó S là entropi của bức xạ nhiệt.
