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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(Atmospheric temperature),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

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(除了伯利茲緬甸利比里亞和美國外),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淮時也會使用蘭金溫標(對華氏溫標的調整)。

單位

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:維也納標淮平均海水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

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

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

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
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]
宇宙微波背景輻射 2.7 K -270.45 °C 1.063 mm
(微波)
維也納標淮平均海水的三相點
(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 373.1339 K 99.9839 °C 7,766.03 nm
(中波紅外線)
電燈泡 2500 K ≈2,200 °C 1,160 nm
(接近紅外線)
style="background:#d9d9d3" 氧炔焰 3600 K ≈3,300 °C 可見光
太陽可見表面sun|D|D[7] 5,778 K 5,505 °C 501.5 nm
綠-藍光
閃電 28 kK 28,000 °C 100 nm
(遠紫外線光)
太陽核心 16 MK 1600萬 °C 0.18 nm
X射線
核武器
(最高溫度)celsiuskelvin|E|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 machinecelsiuskelvin|E|E[9]
2 GK 20億 °C 1.4×10−3 nm
(伽馬射線)
大質量恆星最後一天的核心[10] 3 GK 30億 °C 1×10−3 nm
(伽馬射線)
融合中的雙中子星系統[11] 350 GK 3500億 °C 8×10−6 nm
(伽馬射線)
相對論重離子對撞機[12] 1 TK 1萬億 °C 3×10−6 nm
(伽馬射線)
CERN質子-核碰撞[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 1.417×1032 K 1.417×1032 °C 1.616×10−26 nm
(普朗克長度)
  • A 維也納標淮平均海水在一個標淮大氣壓(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(等離子體並不是)。

溫度測量

由於溫度會對體積、密度、聲速、阻抗等物理量產生影響,因此可以通過測量這些物理量數值的變化來測量溫度。目前溫度測量的方法有數十種,按照測量原理可以分為以下幾類:

  • 膨脹測溫法,是採用幾何量(體積、長度)作為溫度的標誌。如水銀溫度計的測量範圍大約是-30~300°C,酒精溫度計的測量範圍大約是-115~110℃,
  • 電學測溫法,是採用某些隨溫度變化的電阻等電學量作為溫度的標誌。電阻溫度計多用於低於600℃的場合,熱電偶溫度計測量範圍一般在1600℃以下,此外還有半導體熱敏電阻溫度計
  • 磁學測溫法,是根據順磁物質的磁化率與溫度的關係來測量溫度,常用在超低溫(小於1K)測量中。
  • 聲學測溫法,採用聲速作為溫度標誌(聲速的平方與溫度成正比)。主要用於低溫下熱力學溫度的測定。
  • 頻率測溫法,根據物體固有頻率的變化來測量溫度。石英晶體溫度計的分辨率可達萬分之一攝氏度。
  • 光學測溫法,是根據黑體輻射來測量溫度。如紅外線溫度計[14]
  • 密度測溫法,如伽利略溫度計

參考資料

  1. The kelvin in the SI Brochure 網際網路檔案館存檔,存檔日期2007-09-26.
  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硅-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 網際網路檔案館存檔,存檔日期2013-04-11.,以及這裡 網際網路檔案館存檔,存檔日期2011-08-14.,另外還有來自NASA的有關星體的淮確論述
  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.
  14. 紅外線溫度儀量測原理

外部連結