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。
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、大氣科學及生物學等。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及化學平衡。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。
计量
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(绝对零度)。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
在国际单位制中,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接近水的冰点,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,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的绝对零度和三相点。绝对零度被定义为0K及−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,不包含热能。水的三相点则被定义为273.16K和0.01°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。
转换
下面的表格展示了各温标如何转换为摄氏温标。
| 从摄氏温标转换 | 转换为摄氏温标 | |
|---|---|---|
| 华氏温标 | [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 | [°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9 |
| 热力学温标 | [K] = [°C] + 273.15 | [°C] = [K] − 273.15 |
| 兰金温标 | [°R] = ([°C] + 273.15) × 9⁄5 | [°C] = ([°R] − 491.67) × 5⁄9 |
| 德利爾溫標 | [°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 | [°C] = 100 − [°De] × 2⁄3 |
| 牛頓溫標 | [°N] = [°C] × 33⁄100 | [°C] = [°N] × 100⁄33 |
| 列氏温标 | [°Ré] = [°C] × 4⁄5 | [°C] = [°Ré] × 5⁄4 |
| 羅氏溫標 | [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5 | [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40⁄21 |
對自然的影響
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 |
范例
| 温度 | 黑体电磁辐射峰值辐射波长 | ||
|---|---|---|---|
| 开尔文 | 摄氏度 | ||
| 绝对零度 (严格按照定义) | 0 K | −273.15 °C | 無 |
| 目前达到的最低温度 | 100 pK | −273.149999999900 °C | 29,000 km |
| 玻色–爱因斯坦凝聚最低温 | 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) |
| 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] | 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] | 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] | 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] | 3 GK | 30亿 °C | 1×10−3 nm (伽马射线) |
| 融合中的双中子星系统[E] | 350 GK | 3500亿 °C | 8×10−6 nm (伽马射线) |
| 相对论重离子对撞机[E] | 1 TK | 1兆 °C | 3×10−6 nm (伽马射线) |
| CERN质子-核碰撞[E] | 10 TK | 10兆 °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) |
测量
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。
- 密度测温法,如伽利略溫度計。
外部連結
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