溫度是表示冷熱的物理量或系統(tǒng)中原子或分子的平均動能的量度。它是熱能的表現(xiàn),存在于所有物質(zhì)中,當一個物體與另一個更冷或更熱的物體接觸時,它是熱量發(fā)生的來源,一種能量流動。溫度不應(yīng)與熱量混淆。
溫度是用溫度計測量的。溫度計在歷史上使用各種參考點和測溫物質(zhì)進行定義的各種溫標中進行校準。最常見的標度是攝氏標度(以前稱為攝氏度,表示為 C)、華氏標度(表示為 F)和開爾文標度(表示為 K),最后一種主要用于科學目的國際單位制(SI) 公約。
最低理論溫度絕對為零,在該溫度下,無法從物體中提取更多熱能。實驗上,它只能非常接近(100 pK),但無法達到,這在熱力學第三定律中得到了認可。
溫度標度有兩種不同:選擇為零度的點和標度上增量單位或度數(shù)的大小。
攝氏溫度( C) 用于世界大部分地區(qū)的常見溫度測量。它是由歷史進步發(fā)展起來的經(jīng)驗量表,導(dǎo)致它的歸零0 C由水的冰點定義,附加度數(shù)定義為在海平面大氣壓下, 100 C是水的沸點。因為有100度的間隔,所以被稱為攝氏刻度。自從國際單位制中的開爾文標準化以來,它隨后被重新定義為開爾文標度上的等效固定點,因此溫度增加 1 攝氏度與增加 1 攝氏度相同1 開爾文,盡管它們的附加偏移量正好為 273.15。
絕對零
在溫度絕對為零時,沒有能量可以作為熱從物質(zhì)中去除,這一事實在熱力學第三定律中得到了表達。在這個溫度下,物質(zhì)不包含宏觀熱能,但仍具有不確定性原理所預(yù)測的量子力學零點能量,盡管這并未進入絕對溫度的定義中。實驗上,絕對零只能非常接近;它永遠無法達到(實驗達到的最低溫度是 100 pK)。從理論上講,在絕對零溫度的物體中,其粒子的所有經(jīng)典運動都已停止,并且在經(jīng)典意義上它們處于完全靜止狀態(tài)。絕對零,定義為0 K , 正好等于 273.15 C,或 459.67 F。
絕對比例
參考玻爾茲曼常數(shù)、麥克斯韋-玻爾茲曼分布和玻爾茲曼熵的統(tǒng)計力學定義,與 Gibbs 定義不同,用于獨立移動的微觀粒子,不考慮粒子間勢能,根據(jù)國際協(xié)議,溫度刻度被定義并被稱為絕對的,因為它獨立于特定測溫物質(zhì)和溫度計機制的特性。除了絕對零,它沒有參考溫度。它被稱為開爾文量表,廣泛用于科學和技術(shù)。開爾文(這個詞用小寫字母拼寫k) 是國際單位制(SI) 中的溫度單位。相對于絕對零,處于自身熱力學平衡狀態(tài)的物體的溫度始終為正。
國際開爾文量表
許多科學測量使用開爾文溫標(單位符號:K),以紀念首先定義它的物理學家而命名。這是一個絕對規(guī)模。它的數(shù)值零點,0K,是溫度的絕對零。自 2019年5月以來,其度數(shù)已通過粒子動力學理論和統(tǒng)計力學定義。在國際單位制(SI) 中,開爾文的大小是通過對微觀粒子平均動能的各種經(jīng)驗測量來定義的。它根據(jù)玻爾茲曼常數(shù)進行數(shù)值評估,其值由國際慣例定義為固定值。
理解了溫度,再來看一看溫度測量。
溫度測量(也稱為測溫法)描述了測量當前局部溫度以便立即或以后進行評估的過程。由重復(fù)的標準化測量組成的數(shù)據(jù)集可用于評估溫度趨勢。
兩千年前的希臘哲學家就知道了一些測溫原理。正如亨利·卡林頓·博爾頓 (Henry Carrington Bolton ) (1900) 所指出的,溫度計“從一個粗制濫造的玩具發(fā)展為一種精密儀器已經(jīng)用了一個多世紀,而且它的早期歷史充滿了錯誤的陳述,這些錯誤的陳述被他們所接受的教條主義所重申。權(quán)威的虛假印記。” 在 18 世紀的前幾十年,在荷蘭共和國,丹尼爾·加布里埃爾·華氏[2]在測溫史上取得了兩次革命性的突破。他發(fā)明了水銀玻璃溫度計(第一個廣泛使用、準確、實用的溫度計)和華氏溫度刻度(第一個被廣泛使用的標準化溫度刻度)。
已經(jīng)開發(fā)了許多測量溫度的方法。其中大多數(shù)依賴于測量隨溫度變化的工作材料的某些物理特性。測量溫度的最常見設(shè)備之一是玻璃溫度計。它由一個裝滿汞或其他液體的玻璃管組成,作為工作流體。溫度升高會導(dǎo)致流體膨脹,因此可以通過測量流體的體積來確定溫度。這種溫度計通常經(jīng)過校準,因此人們可以通過觀察溫度計中的液位來簡單地讀取溫度。另一種在實踐中使用不多但從理論角度來看很重要的溫度計是氣體溫度計。
其他重要的溫度測量設(shè)備包括:
- 熱電偶
- 熱敏電阻
- 電阻溫度檢測器(RTD)
- 高溫計
- 朗繆爾探針(用于等離子體的電子溫度)
- 紅外線溫度計
- 其他溫度計
測量溫度時必須小心,以確保測量儀器(溫度計、熱電偶等)與被測量材料的溫度確實相同。在某些情況下,來自測量儀器的熱量會導(dǎo)致溫度梯度,因此測得的溫度與系統(tǒng)的實際溫度不同。在這種情況下,測得的溫度不僅會隨著系統(tǒng)溫度的變化而變化,還會隨著系統(tǒng)的傳熱特性而變化。
人類、動物和植物所體驗的熱舒適度不僅僅與玻璃溫度計上顯示的溫度有關(guān)。環(huán)境空氣中的相對濕度水平可以引起或多或少的蒸發(fā)冷卻。濕球溫度的測量使這種濕度效應(yīng)正?;?。 平均輻射溫度也會影響熱舒適度。即使玻璃溫度計顯示相同的溫度,風寒因素也會使大風條件下的天氣比平靜條件下的天氣更冷。氣流增加了從或到身體的熱傳遞速率,導(dǎo)致相同環(huán)境溫度下體溫的更大變化。
溫度計的理論基礎(chǔ)是熱力學第零定律,它假設(shè)如果你有三個物體,A,B和C,如果A和B處于相同的溫度,B和C處于相同的溫度,那么A和C是在相同的溫度。B當然是溫度計。
在某些條件下,可以通過直接使用普朗克黑體輻射定律來測量溫度。例如,宇宙微波背景溫度是根據(jù)WMAP等衛(wèi)星觀測觀測到的光子光譜測量的。在通過 重離子碰撞研究夸克-膠子等離子體時,單粒子光譜有時可以用作溫度計。
近幾十年來,已經(jīng)開發(fā)了許多測溫技術(shù)。在生物技術(shù)背景下,最有前途和最廣泛使用的非侵入性測溫技術(shù)是基于磁共振圖像、計算機斷層掃描圖像和回聲斷層掃描的分析。這些技術(shù)允許在不引入傳感元件的情況下監(jiān)測組織內(nèi)的溫度。在反應(yīng)流(例如燃燒、等離子體)領(lǐng)域,激光誘導(dǎo)熒光 (LIF)、CARS 和激光吸收光譜已被用于測量發(fā)動機、燃氣輪機、激波管、合成反應(yīng)器內(nèi)部的溫度等。這種基于光學的技術(shù)的能力包括快速測量(低至納秒時間尺度),盡管能夠不擾亂測量對象(例如,火焰、沖擊加熱的氣體)。