温度

物理学标度
(重定向自氣溫

温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。溫度理論上的高極點是「普朗克溫度」,而理論上的低極點則是「絕對零度」。「普朗克溫度」和「絕對零度」都是無法通过有限步骤達到的。目前国际上用得较多的温标有摄氏温标(°C)、华氏温标(°F) 、热力学温标(K)和国际实用温标

一张展示了长期全球月平均地表大气温度平均值的地图。
原子氣體的溫度和它的原子移動時帶有的动能有密切關係

温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。值得注意的是,少數幾個分子甚至是一個分子構成的系統,由於缺乏統計的數量要求,是沒有溫度的意義的。

溫度出現在各種自然科學的領域中,包括物理地質學化學大氣科學生物學等。像在物理中,二物體的熱平衡是由其溫度而決定,溫度也會造成固體的熱漲冷縮,溫度也是熱力學的重要參數之一。在地質學中,岩漿冷卻後形成的火成岩是岩石的三種來源之一,在化學中,溫度會影響反應速率化學平衡。大气层中气体的温度是气温(atmospheric temperature),是氣象學常用名词。它直接受日射所影響:日射越多,氣温越高。

溫度也會影響生物體內許多的反應,恒温动物會調節自身體溫,若體溫升高即為發熱,是一種醫學症狀。生物體也會感覺溫度的冷熱,但感受到的溫度受風寒效應影響,因此也會和周圍風速有關。

温度计量编辑

 
一个常见的摄氏度温度计,显示冬季白天温度为-17°C

使用当代科学温度计和温度标记法进行温度计量可以追溯到18世纪早期,加布里埃尔·华伦海特使用了奧勒·羅默发明的温度计(转换成了水银)和标记方式。华氏温标仍然在美国日常生活中使用。

使用温度计标定的温度可以通过溫度換算转换为多种温度计量法。在当今世界大多数国家(除了伯利兹缅甸利比里亚和美国外),摄氏温标是最为广泛的计量法。大多数科学家使用摄氏温标,并在热力学温度上使用摄氏温标演化出来的热力学温标,其起始点0K = −273.15°C绝对零点)。在美国,工程领域、高科技行业以及美国联邦规格(民用和军用)上也会使用热力学温标和摄氏温标。在美国的其他一些工程领域,针对诸如燃烧等热力学相关标准时也会使用蘭金溫標(对华氏温标的调整)。

单位编辑

国际单位制中,温度的最基本单位是开尔文,其符号为K。

在日常使用中,一般为了方便起见都会将其转换为摄氏温标,其中0°C接近冰点100°C则为水在海拔0M的沸点。由于液态的水滴会出现在低于零度的云层中,因此0°C更好的定义是冰的融化点。在这种温标下,1摄氏度和1K温度变化是一样的。

根据国际协议,[1]热力学温标和摄氏温标都通过两个固定点定义:维也纳标准平均海水英语Vienna Standard Mean Ocean Water绝对零度三相点。绝对零度被定义为0K−273.15°C。在该温度下,所有经典分子运动都会停止,处于经典模型下的完全静止状态。在量子结构下,在绝对零度下仍然有运动和能量,被称为零點能量。物质处于其基态[2],不包含热能。水的三相点则被定义为273.16K0.01°C

而美国广泛使用的华氏温标中,水的冰点为32 °F,沸点为212 °F。

另有一惡搞單位張氏溫標,源自於中國軍事專家张召忠馬航MH370失聯事件時提及零下700度[3],張氏溫標作為民眾維護或譏諷其說法而創造。 張氏溫標°Z定義為热力学温标取对数再乘以100,也就是[°Z]=100×log10([K]),用來描述接近絕對零度的溫度。實際上,一般直接使用热力学温标科學記號來表示,而不另造新單位。

转换编辑

下面的表格展示了各温标如何转换为摄氏温标。

摄氏温标转换 转换为摄氏温标
华氏温标 [°F] = [°C] × 95 + 32 [°C] = ([°F] − 32) × 59
热力学温标 [K] = [°C] + 273.15 [°C] = [K] − 273.15
兰金温标 [°R] = ([°C] + 273.15) × 95 [°C] = ([°R] − 491.67) × 59
德利爾溫標 [°De] = (100 − [°C]) × 32 [°C] = 100 − [°De] × 23
牛頓溫標 [°N] = [°C] × 33100 [°C] = [°N] × 10033
列氏温标 [°Ré] = [°C] × 45 [°C] = [°Ré] × 54
羅氏溫標 [°Rø] = [°C] × 2140 + 7.5 [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 4021

溫度對自然的影響编辑

溫度對音速、空氣密度聲阻抗有顯著影響。

不同溫度對音速、空氣密度聲阻抗的影響。
溫度(°C 音速(m/s) 空氣密度(kg/m³) 聲阻抗(s/m³)
−10 325.4 1.341 436.5
−5 328.5 1.316 432.4
0 331.5 1.293 428.3
5 334.5 1.269 424.5
10 337.5 1.247 420.7
15 340.5 1.225 417.0
20 343.4 1.204 413.5
25 346.3 1.184 410.0
30 349.2 1.164 406.6

温度范例编辑

温度 黑体电磁辐射峰值辐射波长[4]
开尔文 摄氏度
绝对零度
(严格按照定义)
0 K −273.15 °C
目前达到的最低温度[5] 100 pK −273.149999999900 °C 29,000 km
玻色–爱因斯坦凝聚最低温[6] 450 pK −273.14999999955 °C 6,400 km
1毫开
(严格按照定义)
0.001 K −273.149 °C 2.89777 m
(广播,调频波段[7]
宇宙微波背景辐射 2.7 K -270.45 °C 1.063 mm
(微波)
维也纳标准平均海水的三相点
(严格按照定义)
273.16 K 0.01 °C 10,608.3 nm
(长波红外线)
水的沸点[A] 373.1339 K 99.9839 °C 7,766.03 nm
(中波红外线)
電燈泡[B] 2500 K ≈2,200 °C 1,160 nm
(接近红外线)[C]
氧炔焰 3600 K ≈3,300 °C 可见光
太阳可见表面[D][8] 5,778 K 5,505 °C 501.5 nm
绿-蓝光
闪电[E] 28 kK 28,000 °C 100 nm
(远紫外线光)
太阳核心[E] 16 MK 1600万 °C 0.18 nm
X射线
核武器
(最高温度)[E][9]
350 MK 3.5亿 °C 8.3×10−3 nm
伽马射线
桑迪亞國家實驗室
Z machine[E][10]
2 GK 20亿 °C 1.4×10−3 nm
(伽马射线)[F]
大质量恒星最后一天的核心[E][11] 3 GK 30亿 °C 1×10−3 nm
(伽马射线)
融合中的双中子星系统[E][12] 350 GK 3500亿 °C 8×10−6 nm
(伽马射线)
相对论重离子对撞机英语Relativistic Heavy Ion Collider[E][13] 1 TK 1万亿 °C 3×10−6 nm
(伽马射线)
CERN质子-核碰撞[E][14] 10 TK 10万亿 °C 3×10−7 nm
(伽马射线)
宇宙在大爆炸之后5.391×10−44 s[E] 1.417×1032 K 1.417×1032 °C 1.616×10−26 nm
(普朗克長度)
  • A 维也纳标准平均海水在一个标准大气压(101.325 kPa)下,根据热力学温度两点的定义。
  • B 2500 K值为约数,在热力学温标和摄氏温标之间273.15 K的差值被约为300 K,以避免摄氏度值的假精確问题。
  • C 针对一个真正的黑体(钨灯丝并不是)。钨灯丝的辐射比短波要略长,因此看起来更白。
  • D 有效光球温度。在热力学温标和摄氏温标之间273.15 K的差值被约为273 K,以避免摄氏度值的假精確问题。
  • E 在热力学温标和摄氏温标之间273.15 K的差值已经忽略不计。
  • F 针对一个真正的黑体(等离子体并不是)。

温度测量编辑

 
不同温度的黑体辐射频谱。随着温度下降,频谱峰值波长增加

由于温度会对体积、密度、声速、阻抗等物理量产生影响,因此可以通过测量这些物理量数值的变化来测量温度。目前温度测量的方法有数十种,按照测量原理可以分为以下几类:

  • 膨胀测温法,是采用几何量(体积、长度)作为温度的标志。如水银温度计的测量范围大约是-30~300°C,酒精温度计的测量范围大约是-115~110℃,
  • 电学测温法,是采用某些随温度变化的电阻等电学量作为温度的标志。电阻温度计多用于低於600℃的場合,热电偶温度计测量范围一般在1600℃以下,此外还有半导体热敏电阻温度计
  • 磁学测温法,是根据顺磁物质的磁化率与温度的关系来测量温度,常用在超低温(小于1K)测量中。
  • 声学测温法,采用声速作为温度标志(声速的平方与温度成正比)。主要用于低温下热力学温度的测定。
  • 频率测温法,根据物体固有频率的变化来测量温度。石英晶体温度计的分辨率可达万分之一摄氏度。
  • 光学测温法,是根据黑体辐射来测量温度。如紅外線溫度計[15]
  • 密度测温法,如伽利略溫度計

参考资料编辑

  1. ^ The kelvin in the SI Brochure 互联网档案馆存檔,存档日期2007-09-26.
  2. ^ Absolute Zero. Calphad.com. [2010-09-16]. (原始内容存档于2018-10-09). 
  3. ^ 张召忠:中国卫星可测到“零下700度物体”[图]. 央視網 (新華網). 2014-03-14 [2014-03-14]. (原始内容存档于2014-04-07). 
  4. ^ The cited emission wavelengths are for black bodies in equilibrium. CODATA 2006 recommended value of 2.8977685(51)×10−3 m K used for Wien displacement law constant b.
  5. ^ World record in low temperatures. [2009-05-05]. (原始内容存档于2009-06-18). 
  6. ^ 2003年,麻省理工学院的研究者在实验中得到了玻色–爱因斯坦凝聚的最低温度450 ±80 pK。参考资料:Cooling Bose–Einstein Condensates Below 500 Picokelvin, A. E. Leanhardt et al., Science 301, 12 Sept. 2003, p. 1515. It's noteworthy that this record's peak emittance black-body wavelength of 6,400 kilometers is roughly the radius of Earth.
  7. ^ 在103.456 MHz频率下,峰值辐射波长为2.89777 m。
  8. ^ 于2002年测量,有±3凯尔文的误差。1989年的测量结果 页面存档备份,存于互联网档案馆为5,777.0±2.5 K。参考资料:Overview of the Sun 页面存档备份,存于互联网档案馆 (Chapter 1 lecture notes on Solar Physics by Division of Theoretical Physics, Dept. of Physical Sciences, University of Helsinki).
  9. ^ 350 MK的数值是指氢弹的最高燃烧温度。原子弹的最高温度大概在50到100 MK。参考资料:Nuclear Weapons Frequently Asked Questions, 3.2.5 Matter At High Temperatures. Link to relevant Web page. All referenced data was compiled from publicly available sources.
  10. ^ In fact, the iron and manganese ions in the plasma averaged 3.58±0.41 GK (309±35 keV) for 3 ns (ns 112 through 115). [//web.archive.org/web/20120419065825/http://prl.aps.org/abstract/PRL/v96/i7/e075003 页面存档备份,存于互联网档案馆 Ion Viscous Heating in a Magnetohydrodynamically Unstable Z Pinch at Over 2×109 Kelvin], M. G. Haines et al., Physical Review Letters 96 (2006) 075003. Link to Sandia's news release. 互联网档案馆存檔,存档日期2010-05-30.
  11. ^ 大质量(>8–11倍太阳质量)恒星核心温度离开赫羅圖上主序带进入燃烧硅-28α过程(持续1天),依照下列顺序演变为重核元素:硫–32 →氩–36 →钙–40 →钛–44 →铬–48 →铁–52 →镍–56。在完成该序带后数分钟内,该恒星爆炸成为II型超新星。参考资料:Stellar Evolution: The Life and Death of Our Luminous Neighbors (by Arthur Holland and Mark Williams of the University of Michigan). Link to Web site 页面存档备份,存于互联网档案馆.更多资料可以参见这里 互联网档案馆存檔,存档日期2013-04-11.,以及这里 互联网档案馆存檔,存档日期2011-08-14.,另外还有来自NASA的有关星体的准确论述 互联网档案馆存檔,存档日期2010-10-24.。
  12. ^ Torus Formation in Neutron Star Mergers and Well-Localized Short Gamma-Ray Bursts 页面存档备份,存于互联网档案馆, R. Oechslin et al. of Max Planck Institute for Astrophysics. 页面存档备份,存于互联网档案馆, arXiv:astro-ph/0507099 v2, 22 Feb. 2006. An html summary 页面存档备份,存于互联网档案馆.
  13. ^ Results of research by Stefan Bathe using the PHENIX 页面存档备份,存于互联网档案馆 detector on the Relativistic Heavy Ion Collider 页面存档备份,存于互联网档案馆 at Brookhaven National Laboratory 页面存档备份,存于互联网档案馆 in Upton, New York, U.S.A.  Bathe has studied gold-gold, deuteron-gold, and proton-proton collisions to test the theory of quantum chromodynamics, the theory of the strong force that holds atomic nuclei together.  Link to news release. 页面存档备份,存于互联网档案馆
  14. ^ How do physicists study particles? 互联网档案馆存檔,存档日期2007-10-11. by CERN 页面存档备份,存于互联网档案馆.
  15. ^ 紅外線溫度儀量測原理

外部連結编辑