温度

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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,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。

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
Delisle [°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[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英语Relativistic Heavy Ion Collider[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]

  1. ^ The kelvin in the SI Brochure
  2. ^ Absolute Zero. Calphad.com. [2010-09-16]. 
  3. ^ 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.
  4. ^ World record in low temperatures. [2009-05-05]. 
  5. ^ 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.
  6. ^ 在103.456 MHz频率下,峰值辐射波长为2.89777 m。
  7. ^ 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).
  8. ^ 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.
  9. ^ 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.
  10. ^ 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.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
  11. ^ 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.
  12. ^ 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.
  13. ^ How do physicists study particles? by CERN.

外部連結[编辑]

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