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温度本文重定向自 气温

一张展示了长期全球月平均地表大气温度平均值的地图。
原子气体的温度和它的原子移动时带有的动能有密切关系

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“绝对零度”。“普朗克温度”和“绝对零度”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。

温度出现在各种自然科学的领域中,包括物理地质学化学大气科学生物学等。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

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兰金温标(对华氏温标的调整)。

单位

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273.16K0.01°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。

另有一恶搞单位张氏温标,源自于中国军事专家张召忠马航MH370失联事件时提及零下700度[3],张氏温标作为民众维护或讥讽其说法而创造。 张氏温标°Z定义为热力学温标取对数再乘以100,也就是[°Z]=100×log10([K]),用来描述接近绝对零度的温度。实际上,一般直接使用热力学温标科学记号来表示,而不另造新单位。

转换

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
德利尔温标 [°De] = (100 − [°C]) × 32 [°C] = 100 − [°De] × 23
牛顿温标 [°N] = [°C] × 33100 [°C] = [°N] × 10033
列氏温标 [°Ré] = [°C] × 45 [°C] = [°Ré] × 54
罗氏温标 [°Rø] = [°C] × 2140 + 7.5 [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 4021

温度对自然的影响

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[4]
开尔文 摄氏度
绝对零度
(严格按照定义)
0 K −273.15 °C
目前达到的最低温度[5] 100 pK −273.149999999900 °C 29,000 km
玻色–爱因斯坦凝聚最低温[6] 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[7]
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)
电灯泡[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][8] 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][9]
350 MK 3.5亿 °C 8.3×10−3 nm
伽马射线
桑迪亚国家实验室
Z machine[E][10]
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][11] 3 GK 30亿 °C 1×10−3 nm
(伽马射线)
融合中的双中子星系统[E][12] 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][13] 1 TK 1万亿 °C 3×10−6 nm
(伽马射线)
CERN质子-核碰撞[E][14] 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
(普朗克长度)
  • 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273.15 K的差值被约为273 K,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273.15 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)。

温度测量

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[15]
  • 密度测温法,如伽利略温度计

参考资料

  1. ^ The kelvin in the SI Brochure 互联网档案馆存档,存档日期2007-09-26.
  2. ^ Absolute Zero. Calphad.com. [2010-09-16]. (原始内容存档于2018-10-09).
  3. ^ 张召忠:中国卫星可测到“零下700度物体”[图]. 央视网 (新华网). 2014-03-14 [2014-03-14]. (原始内容存档于2014-04-07).
  4. ^ 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.
  5. ^ World record in low temperatures. [2009-05-05]. (原始内容存档于2009-06-18).
  6. ^ 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.
  7. ^ 在103.456 MHz频率下,峰值辐射波长为2.89777 m。
  8. ^ 于2002年测量,有±3凯尔文的误差。1989年的测量结果 页面存档备份,存于互联网档案馆为5,777.0±2.5 K。参考资料:Overview of the Sun 页面存档备份,存于互联网档案馆 (Chapter 1 lecture notes on Solar Physics by Division of Theoretical Physics, Dept. of Physical Sciences, University of Helsinki).
  9. ^ 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.
  10. ^ 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). [//web.archive.org/web/20120419065825/http://prl.aps.org/abstract/PRL/v96/i7/e075003 页面存档备份,存于互联网档案馆 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. 互联网档案馆存档,存档日期2010-05-30.
  11. ^ 大质量(>8–11倍太阳质量)恒星核心温度离开赫罗图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 页面存档备份,存于互联网档案馆.更多资料可以参见这里 互联网档案馆存档,存档日期2013-04-11.,以及这里 互联网档案馆存档,存档日期2011-08-14.,另外还有来自NASA的有关星体的准确论述 互联网档案馆存档,存档日期2010-10-24.。
  12. ^ Torus Formation in Neutron Star Mergers and Well-Localized Short Gamma-Ray Bursts 页面存档备份,存于互联网档案馆, R. Oechslin et al. of Max Planck Institute for Astrophysics. 页面存档备份,存于互联网档案馆, arXiv:astro-ph/0507099 v2, 22 Feb. 2006. An html summary 页面存档备份,存于互联网档案馆.
  13. ^ Results of research by Stefan Bathe using the PHENIX 页面存档备份,存于互联网档案馆 detector on the Relativistic Heavy Ion Collider 页面存档备份,存于互联网档案馆 at Brookhaven National Laboratory 页面存档备份,存于互联网档案馆 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. 页面存档备份,存于互联网档案馆
  14. ^ How do physicists study particles? 互联网档案馆存档,存档日期2007-10-11. by CERN 页面存档备份,存于互联网档案馆.
  15. ^ 红外线温度仪量测原理

外部链接


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