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。温度没有高极点,只有理论低极点“绝对零度”。“绝对零度”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、大气科学及生物学等。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及化学平衡。大气层中气体的温度是气温,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
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273.16K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 |
| Delisle |
[°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 |
[°C] = 100 − [°De] × 2⁄3 |
| 牛顿温标 |
[°N] = [°C] × 33⁄100 |
[°C] = [°N] × 100⁄33 |
| 列氏温标 |
[°Ré] = [°C] × 4⁄5 |
[°C] = [°Ré] × 5⁄4 |
| 罗氏温标 |
[°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5 |
[°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40⁄21 |
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[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) |
| 电灯泡[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) |
桑迪亚国家实验室 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)。
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