溫度

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一張展示了長期全球月平均地表大氣溫度平均值的地圖。
原子氣體的溫度和它的原子移動時帶有的動能有密切關係

溫度是表示物體冷熱程度的物理量,微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量,而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點(零點)和測量溫度的基本單位。溫度沒有高極點,只有理論低極點「絕對零度」。「絕對零度」是無法通過有限步驟達到的。目前國際上用得較多的溫標有攝氏溫標(°C)、華氏溫標(°F) 、熱力學溫標(K)和國際實用溫標

溫度是物體內分子間平均動能的一種表現形式。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。大氣層中氣體的溫度是氣溫,是氣象學常用名詞。它直接受日射所影響:日射越多,氣溫越高。

溫度也會影響生物體內許多的反應,恆溫動物會調節自身體溫,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。

溫度計量[編輯]

一個常見的攝氏度溫度計,顯示冬季白天溫度為-17°C

使用當代科學溫度計和溫度標記法進行溫度計量可以追溯到18世紀早期,加布里埃爾·華倫海特使用了奧勒·羅默發明的溫度計(轉換成了水銀)和標記方式。華氏溫標仍然在美國日常生活中使用。

使用溫度計標定的溫度可以通過溫度換算轉換為多種溫度計量法。在當今世界大多數國家(除了貝里斯緬甸賴比瑞亞和美國外),攝氏溫標是最為廣泛的計量法。大多數科學家使用攝氏溫標,並在熱力學溫度上使用攝氏溫標演化出來的熱力學溫標,其起始點0K = −273.15°C絕對零點)。在美國,工程領域、高科技行業以及美國聯邦規格(民用和軍用)上也會使用熱力學溫標和攝氏溫標。在美國的其他一些工程領域,針對諸如燃燒等熱力學相關標準時也會使用蘭金溫標(對華氏溫標的調整)。

單位[編輯]

國際單位制中,溫度的最基本單位是開爾文,其符號為K。

在日常使用中,一般為了方便起見都會將其轉換為攝氏溫標,其中0°C接近冰點100°C則為水在海拔0M的沸點。由於液態的水滴會出現在低於零度的雲層中,因此0°C更好的定義是冰的融化點。在這種溫標下,1攝氏度和1K溫度變化是一樣的。

根據國際協議,[1]熱力學溫標和攝氏溫標都通過兩個固定點定義:維也納標準平均海水英語Vienna Standard Mean Ocean Water絕對零度三相點。絕對零度被定義為0K−273.15°C。在該溫度下,所有經典分子運動都會停止,處於經典模型下的完全靜止狀態。在量子結構下,在絕對零度下仍然有運動和能量,被稱為零點能量。物質處於其基態[2],不包含熱能。水的三相點則被定義為273.16K0.01°C

而美國廣泛使用的華氏溫標中,水的冰點為32 °F,沸點為212 °F。

轉換[編輯]

下面的表格展示了各溫標如何轉換為攝氏溫標。

攝氏溫標轉換 轉換為攝氏溫標
華氏溫標 [°F] = [°C] × 95 + 32 [°C] = ([°F] − 32) × 59
熱力學溫標 [K] = [°C] + 273.15 [°C] = [K] − 273.15
蘭金溫標 [°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
列氏溫標 [°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[編輯]

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

溫度範例[編輯]

溫度 黑體電磁輻射峰值輻射波長[3]
開爾文 攝氏度
絕對零度
(嚴格按照定義)
0 K −273.15 °C 無法定義
目前達到的最低溫度[4] 100 pK −273.149999999900 °C 29,000 km
玻色–愛因斯坦凝聚最低溫[5] 450 pK −273.14999999955 °C 6,400 km
1毫開
(嚴格按照定義)
0.001 K −273.149 °C 2.89777 m
(廣播,調頻波段[6]
維也納標準平均海水的三相點
(嚴格按照定義)
273.16 K 0.01 °C 10,608.3 nm
(長波紅外線)
水的沸點[A] 373.1339 K 99.9839 °C 7,766.03 nm
(中波紅外線)
電燈泡[B] 2500 K ≈2,200 °C 1,160 nm
(接近紅外線)[C]
太陽可見表面[D][7] 5,778 K 5,505 °C 501.5 nm
綠-藍光
閃電[E] 28 kK 28,000 °C 100 nm
(遠紫外線光)
太陽核心[E] 16 MK 1600萬 °C 0.18 nm
X射線
核武器
(最高溫度)[E][8]
350 MK 3.5億 °C 8.3×10−3 nm
伽馬射線
桑迪亞國家實驗室
Z machine[E][9]
2 GK 20億 °C 1.4×10−3 nm
(伽馬射線)[F]
大質量恆星最後一天的核心[E][10] 3 GK 30億 °C 1×10−3 nm
(伽馬射線)
融合中的雙中子星系統[E][11] 350 GK 3500億 °C 8×10−6 nm
(伽馬射線)
相對論重離子對撞機英語Relativistic Heavy Ion Collider[E][12] 1 TK 1萬億 °C 3×10−6 nm
(伽馬射線)
CERN質子-核碰撞[E][13] 10 TK 10萬億 °C 3×10−7 nm
(伽馬射線)
宇宙在大爆炸之後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 維也納標準平均海水在一個標準大氣壓(101.325 kPa)下,根據熱力學溫度兩點的定義。
  • B 2500 K值為約數,在熱力學溫標和攝氏溫標之間273.15 K的差值被約為300 K,以避免攝氏度值的假精確問題。
  • C 針對一個真正的黑體(鎢燈絲並不是)。鎢燈絲的輻射比短波要略長,因此看起來更白。
  • D 有效光球溫度。在熱力學溫標和攝氏溫標之間273.15 K的差值被約為273 K,以避免攝氏度值的假精確問題。
  • E 在熱力學溫標和攝氏溫標之間273.15 K的差值已經忽略不計。
  • F 針對一個真正的黑體(電漿體並不是)。

參考資料[編輯]

  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,麻省理工學院的研究者在實驗中得到了玻色–愛因斯坦凝聚的最低溫度450 ±80 pK。參考資料: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頻率下,峰值輻射波長為2.89777 m。
  7. ^ 於2002年測量,有±3凱爾文的誤差。1989年的測量結果為5,777.0±2.5 K。參考資料: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的數值是指氫彈的最高燃燒溫度。原子彈的最高溫度大概在50到100 MK。參考資料: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. ^ 大質量(>8–11倍太陽質量)恆星核心溫度離開赫羅圖上主序帶進入燃燒矽-28α過程(持續1天),依照下列順序演變為重核元素:硫–32 →氬–36 →鈣–40 →鈦–44 →鉻–48 →鐵–52 →鎳–56。在完成該序帶後數分鐘內,該恆星爆炸成為II型超新星。參考資料: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.更多資料可以參見這裡,以及這裡,另外還有來自NASA的有關星體的準確論述
  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[編輯]

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