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温度概述

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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。温度理论上的高极点是“普朗克温度”,而理论上的低极点则是“**零度”。“普朗克温度”和“**零度”都是无法通过有限步骤达到的。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
一张展示了长期全球月平均地表大气温度平均值的地图

温度

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,少数几个分子甚至是一个分子构成的系统,由于缺乏统计的数量要求,是没有温度的意义的。

温度出现领域

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温度出现在各种自然科学的领域中,包括物理、地质学、化学、大气科学及生物学等。像在物理中,二物体的热平衡是由其温度而决定,温度也会造成固体的热涨冷缩,温度也是热力学的重要参数之一。在地质学中,岩浆冷却后形成的火成岩是岩石的三种来源之一,在化学中,温度会影响反应速率及化学平衡。大气层中气体的温度是气温(AtMOSpheric temperature),是气象学常用名词。它直接受日射所影响:日射越多,气温越高。

温度也会影响生物体内许多的反应,恒温动物会调节自身体温,若体温升高即为发热,是一种医学症状。生物体也会感觉温度的冷热,但感受到的温度受风寒效应影响,因此也会和周围风速有关。

温度计量

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温度
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·华伦海特使用了奥勒·罗默发明的温度计(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温度换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**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(**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兰金温标(对华氏温标的调整)。

单位

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在国际单位制中,温度的**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,[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)的**零度和三相点。**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**零度下仍然有运动和能量,被称为零点能量。物质处于其基态[2],不包含热能。水的三相点则被定义为273.16K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。

温度单位换算

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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 德利尔温标 [°De]=(100−[°C])×3⁄2 [°C]=100−[°De]×2⁄3 牛顿温标 [°N]=[°C]×33⁄100 [°C]=[°N]×100⁄33 列氏温标 [°Ré]=[°C]×4⁄5 [°C]=[°Ré]×5⁄4 罗氏温标 [°Rø]=[°C]×21⁄40+7.5 [°C]=([°Rø]−7.5)×40⁄21

温度对自然的影响

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温度对音速、空气密度、声阻抗有显著影响。

不同温度对音速、空气密度、声阻抗的影响。 温度(°C) 音速(m/s) 空气密度(kg/m³) 声阻抗(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
温度 黑体电磁辐射峰值辐射波长[3] 开尔文 摄氏度 **零度
(严格按照定义) 0K −273.15°C 无 目前达到的**低温度[4] 100 pK −273.149999999900°C 29,000km 玻色–爱因斯坦凝聚**低温[5] 450pK −273.14999999955°C 6,400km 1毫开
(严格按照定义) 0.001K −273.149°C 2.89777m
(广播,调频波段)[6] 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) 273.16K 0.01°C 10,608.3nm
(长波红外线) 水的沸点[A] 373.1339K 99.9839°C 7,766.03nm
(中波红外线) 电灯泡[B] 2500K ≈2,200°C 1,160nm
(接近红外线)[C] 氧炔焰 3600 K ≈3,300 °C 可见光 太阳可见表面[D][7] 5,778K 5,505°C 501.5nm
(绿-蓝光) 闪电[E] 28kK 28,000°C 100nm
(远紫外线光) 太阳核心[E] 16MK 1600万°C 0.18nm
(X射线) 核武器
(**高温度)[E][8] 350MK 3.5亿°C 8.3×10−3nm
(伽马射线) 桑迪亚国家实验室
Z machine[E][9] 2GK 20亿°C 1.4×10−3nm
(伽马射线)[F] 大质量恒星**后一天的核心[E][10] 3GK 30亿°C 1×10−3 nm
(伽马射线) 融合中的双中子星系统[E][11] 350GK 3500亿°C 8×10−6nm
(伽马射线) 相对论重离子对撞机(英语:Relativistic Heavy Ion Collider)[E][12] 1TK 1万亿°C 3×10−6nm
(伽马射线) CERN质子-核碰撞[E][13] 10TK 10万亿°C 3×10−7nm
(伽马射线) 宇宙在大爆炸之后5.391×10−44 s[E] 1.417×1032K 1.417×1032°C 1.616×10−26 nm
(普朗克长度) A 维也纳标准平均海水在一个标准大气压(101.325kPa)下,根据热力学温度两点的定义。 B 2500K值为约数,在热力学温标和摄氏温标之间273.15K的差值被约为300K,以避免摄氏度值的假精确问题。 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273.15K的差值被约为273K,以避免摄氏度值的假精确问题。 E 在热力学温标和摄氏温标之间273.15K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)。

温度测量方法

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温度
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于600℃的场合,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。如红外线温度计[14]。 密度测温法,如伽利略温度计。

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词条目录
  1. 温度概述
  2. 温度出现领域
  3. 温度计量
  4. 单位
  5. 温度单位换算
  6. 温度对自然的影响
  7. 温度测量方法

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