温度
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。溫度沒有高極點，只有理論低極點「絕對零度」。“絕對零度”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，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。
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温度计量 [编辑]
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]
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则为水在海平面的沸点。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[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。
转换 [编辑]
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 |
| Delisle | [°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 |
溫度對自然的影響 [编辑]
| 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[3] | ||
|---|---|---|---|
| 开尔文 | 摄氏度 | ||
| 绝对零度 （严格按照定义） |
0 K | −273.15 °C | 无法定义 |
| 目前达到的最低温度[4] | 100 pK | −273.149999999900 °C | 29,000 km |
| 玻色–爱因斯坦凝聚最低温[5] | 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）[6] |
| 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] |
| 太阳可见表面[D][7] | 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][8] |
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][9] |
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][10] | 3 GK | 30亿 °C | 1×10−3 nm （伽马射线） |
| 融合中的双中子星系统[E][11] | 350 GK | 3500亿 °C | 8×10−6 nm （伽马射线） |
| 相对论重离子对撞机[E][12] | 1 TK | 1万亿 °C | 3×10−6 nm （伽马射线） |
| CERN质子-核碰撞[E][13] | 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）。
参考资料 [编辑]
- ^ The kelvin in the SI Brochure
- ^ Absolute Zero. Calphad.com. [2010-09-16].
- ^ 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. - ^ World record in low temperatures. [2009-05-05].
- ^ 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.
- ^ 在103.456 MHz频率下，峰值辐射波长为2.89777 m。
- ^ 于2002年测量，有±3凯尔文的误差。1989年的测量结果为5,777.0±2.5 K。参考资料：Overview of the Sun (Chapter 1 lecture notes on Solar Physics by Division of Theoretical Physics, Dept. of Physical Sciences, University of Helsinki).
- ^ 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.
- ^ 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). 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. - ^ 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-28的α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. 更多资料可以参见这里，以及这里，另外还有来自NASA的有关星体的准确论述。
- ^ Torus Formation in Neutron Star Mergers and Well-Localized Short Gamma-Ray Bursts, R. Oechslin et al. of Max Planck Institute for Astrophysics., arXiv:astro-ph/0507099 v2, 22 Feb. 2006. An html summary.
- ^ Results of research by Stefan Bathe using the PHENIX detector on the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory 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.
- ^ How do physicists study particles? by CERN.
外部連結 [编辑]
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