一张展示了长期全球月平均地表大气温度平均值的地图
單原子 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
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,[ 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
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 [ 3]
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[ 4]
100 pK
−273.149999 999 900 °C
29,000 km
玻色–爱因斯坦凝聚 最低温[ 5]
450 pK
−273.149999 999 55 °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]
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] [ 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
1兆 °C
3×10−6 nm (伽马射线)
CERN 质子-核碰撞[E] [ 13]
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)
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)。
测量
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 [ 14] 。
密度测温法,如伽利略溫度計 。
参考资料
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外部連結