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溫度(temperature)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。從分子運動論觀點看,溫度是物體分子平均平動動能的標誌。溫度是大量分子熱運動的集體表現,含有統計意義。

溫度溫度
溫度(Temperature):物體內分子熱運動的宏觀表現,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。溫度沒有高極點,只有理論低極點「絕對零度」。「絕對零度」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華氏溫標(F)、攝氏溫標(°C)、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。分子運動愈快,物體愈熱,即溫度愈高;分子運動愈慢,物體愈冷,即溫度愈低。

1 溫度 -基本介紹

溫度
溫度
溫度它直接受日射所影響:日射越多,氣溫越高。溫度的概念對於人們來說並不陌生,但通常人們只是將它作為物質的某種屬性之一。溫度的概念來源於人們對外界物質世界的感覺,通常表示外界物質本身屬性的某種存在狀態。使溫度概念得以較為精確表述的是分子運動論在熱學領域的建立,這樣就將物質的整體存在狀態化歸到物質的小分子間的運動形式的整體組合中。同時,也給溫度的概念賦予了新的含義。但是,這種將溫度的屬性化歸到物質運動的本身,並沒有改變人們對溫度的觀念。現在人們對溫度的看法仍然脫離不開物質本身屬性的範疇,(溫度雖然在科學中得到一個確切的定義方法,但是人們日常生活中的習慣與分子的運動完全是兩個世界)不僅僅是在人們的生活中,在科學中也是如此。這種現象被描述為一個物體的熱勢,或能量效應。當以數值表示溫度時,即稱之為溫度度數。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。大氣層中氣體的溫度是氣溫,是氣象學常用名詞。

溫度在科學中的概念沒有劃歸到物質運動最直接的形式,是因為傳統物理科學體系中溫度和其它物理概念間存在的邏輯關係。物理概念在整個科學體系中不是孤立的,而是相互間存在連帶關係。一種物理概念的改變,必然伴隨相關科學概念間的定義存在相應的改變。科學一直是在繼承性的發展,即使到今天,我們所接受的物理科學體系也是建立在前人所論證的基礎上。

和溫度概念直接相關聯的物理概念是能量的概念。尤其是分子運動論的建立,加劇了溫度和能量間的聯繫。自從一個半世紀以來由於工業革命所帶來的對化學能源的使用加劇,也同時加劇了化學能源和機械動力間的關係,其中溫度就在這期間擔當了一個非常重要的角色;即能源和動力間的轉換。這一領域在一個半世紀以前就開始了,比較有名的是焦耳先生所作的證明機械能和熱能間轉換關係的焦耳試驗。

2 溫度 -概念介紹

溫度
溫度
雖然溫度來源於對物質溫度的感覺,這起因於微觀物質的運動所給與感官的作用。對於物體、氣體,近代物理科學的發展已經告訴我們,這種溫度的感覺來源於物質分子給與感官碰撞的作用,溫度高於我們感官的物體,其給與我們熱的感覺,這來源於較熱的物體對外的輻射而給與外界物質的較強的相互作用。將溫度的概念賦予物質運動變化的本身,是符合物質運動變化的規律的,同時,對外界物質的溫度現象是吻合的。常規物理體系中,通常將溫度的概念和物體分子的動能聯繫起來,認為物質的溫度和分子的動能成正比。這樣解釋是很難合乎邏輯的。不可信的一種邏輯原因如下:

首先,沒有理由懷疑牛頓第三定律,即:作用力和反作用力定律,在物質相互作用過程中,作用力必然大小相等、方向相反。不同質量的分子,在同一溫度下如果動能相同,則動量必然不同。如果混合在一起,經過一段時間的碰撞后,兩種分子的溫度我們將不好判斷它們的溫度。這是因為,在不同質量的分子碰撞過程中,不管分子最初的運動狀態如何,混合以後,兩種不同分子的運動狀態將趨向於平均動量相等。這一點是由牛頓第三運動定律決定的,那麼,動能相同的兩種不同質量的分子,(1/2)mv2作為動能的形式,其質量大的分子其動量必然要大於質量小的分子的動量。這樣兩種分子混合以後,由於必須遵守作用力反作用力的規律,動能較大的分子,在兩種分子混合后其動能必然增加,或者說其當量溫度相對來說要高。這樣我們就可以得出一個結論,可燃氣體如果和質量比它大的分子混合,其燃點溫度必然降低,反之,其燃點溫度數值必然要增加。這樣的結論似乎還沒有出現,雖然兩種氣體分子在混合后燃點會發生變化,形成這種固定的規律似乎還沒有。如果動能和溫度間的關係正確,那麼這種推論也應該成立。

另一方面,如何去定義混合氣體的溫度與分子運動速度的關係,我們不能採用平均動能的方式去定義,這是因為,混合后的氣體在碰撞一段時間以後,兩種分子的平均動量會趨向於相等,質量較輕的氣體分子其動能會大於質量較重的氣體分子的動能,這樣,根據動能和分子運動速度的關係,該如何確定它們之間的關係呢?如果將溫度的概念歸因於物質的運動本身,對於同一物體,一個確定的溫度必然對應予一確定的物質存在狀態並表現在微觀物質分子運動的本身。如果運動狀態採用運動來衡量的話,(為了便於說明問題,這裡我採用氣體來說明)那麼,微觀物質運動最大的區別就在於物質分子的平均速度,一個確定的溫度必然對應與物質微觀分子確定的平均運動速度。科學已經確定,氣體分子是通過運動中不斷的碰撞來實現氣體分子在空間中的分佈規律。如果氣體的溫度和氣體分子的平均動能成正比,那麼在碰撞過程中質量不同的分子通過碰撞后其動量交換也不同,但是碰撞動量交換的結果是兩種不同的分子其平均動量趨向於相等。採用動能和溫度成正比的關係不能處理這一問題。如果考慮兩個分子質量不同的物體,或者一種氣體分子和固體間在溫度相同時的能量間的交換狀態,如果氣體分子的質量遠大於固體分子間的質量,或者氣體分子的質量遠小於固體分子間的質量,那麼,在溫度相同時,氣體和固體之間必然發生能量交換,其交換的結果是質量大的分子碰撞后其運動速度(或者震動速度)必然會降低,質量小的分子碰撞后其速度會增加,如果兩種分子處於同一溫度下,那麼,能量就會發生定向的傳遞。很顯然,這和日常生活中的事實不符。根據如上的分析,傳統物理學中的溫度定義存在很大的問題。關於這一部分內容,您可以參閱機械運動能量體系中關於此的看法。一種比較不錯的定義方法是採用物質分子的動量作為能量的單位,並定義,物質的溫度和分子的運動速度成正比。這樣的定義方法在物質運動的變化上處理問題,是很方便的。但是,仍然要提醒一點的是,這樣的定義,能量守恆和轉化定律必然要被放棄。

3 溫度 -歷史看法

溫度
焦耳
在焦耳先生證明機械能和熱能間具有確定轉化關係以前,熱能和機械能間的關係是完全分立的,溫度和熱也是不能分清的概念。甚至當時的人們將熱的概念作為具有和物質相似屬性的類似的東西來看待,即所謂的熱質學說。這一點足可見當時人們對於溫度和熱之間的關係的狀況。甚至在卡諾先生在建立卡諾定理的同時,在它的理論中所引用的說明這一定理的概念,對能量概念所採用的關係就是能量是一種質的關係,當然,能量守恆定律在現代科學中至今一直擔當這樣的角色。說明的是,卡諾先生的時代能量的概念和現今的能量的概念是不同的,熱的本性所擔當的腳色也是不同的。這裡的區別在於:卡諾先生的時代熱是以質的形式存在,而現今的熱卻是還原於物質的運動。其次,能量的概念也存在不同:主要表現於在物質的運動形式上,卡諾先生時代能量的概念還比較單一,能量就是使物質運動的東西。現今的能量概念,由於科學向微觀物質世界的發展,尤其是場的理論以及對物質深入到基本粒子的層次,能量已經趨向於支配物質世界(或者說宇宙)物質存在狀態間相互轉化的數理關係,它並沒有物質質的確定的存在形式。

另一個有趣的話題是能量守恆定律的建立,這主要是焦耳時代的科學家對不同能量間的相互轉化關係的確定。和溫度存在直接關係的物理過程很多,比較重要的關係除了焦耳先生所證明的機械能和熱能間的轉換關係之外,電學中的焦耳定律、熱學中的卡諾定理,甚至其概念產生於此之前的比熱溶的概念,以及在此之後用於確定分子間化學能和熱能之間的對應關係等,都說明了熱在近代物理概念中的位置。雖然不是由於熱的概念去直接推動近代科學的革命,但是沒有熱與精確的能量間的關係,能量守恆定律就不會確立。儘管這一熱的概念存在問題。直到今天,對於熱的概念,在傳統的物理體系中我們除了熱是物質的一種基本屬性,表示物體的冷熱程度,和氣體分子的熱能成正比之外,在科學的概念中並沒有建立精確的熱與物質分子運動狀態的關係。首先從描述方式上,它所指明的僅是物質的某種存在狀態,比如:我們對太陽的描述,太陽表面的溫度在6000度左右,或者太陽內部的溫度為幾百萬度。這樣的描述,是將溫度作為物質的屬性描述的方式。雖然作為生活中的人們容易理解,但是對於科學來說,籠統的泛指物質的某種狀態,對於描述物質的實體是不夠的。

在傳統物理學中,對於溫度與物質分子存在狀態的關係是採用動能來定義的。溫度與物質的分子的平均運動速度的平方成正比。但是,對於溫度的傳統計量方法,卻不是採用分子的運動速度來定量的。這對於將物質的存在狀態的描述歸於物質的運動,這是不夠的。雖然在傳統物理學中存在對物質溫度和物質分子運動狀態的定義方法,但是在科學中我們卻沒有採用這一確定物質存在狀態的模式,而是採用籠統的表示方法。在這種意義上來說,溫度存在缺陷。對物質屬性的探討已經推進到了一個前人所無法想象到的程度,對於物質的溫度已經到了絕對零度以下多少次方數量級的程度,常規的定義體系能否勝任,依賴於所採用的描述體系能否適合對物理領域的描述。

4 溫度 -探索發現

溫度
溫度
在普通的日常生活中,由於生命所生存的環境是很苛刻的,人體所直接接觸的物質存在模式是狹窄的。(人類所生存的環境在攝氏零下幾十度到零上幾十度之間。)但是不同物質存在狀態又給人類帶來不同物質存在狀態的信息,有些我們是永遠不能用人體所可以感受的,比如太陽內部。對於這種環境,我們只能根據常規的物質理論去進行推測。其中溫度的概念是人類根據自己的感受所進行的感覺定義(物理簡明辭典中是大概這樣定義的。溫度,物體冷熱的程度)至少到目前為止,這種定義在屬於科學的範疇中也是這樣的,(這一結論是根據物理大學課本對物質存在狀態的描述,指明物質的存在狀態是溫度多少度,而不是指明物質微觀分子運動狀態)比如,在關於宇宙的大爆炸理論中,一些科普讀物是這樣介紹的,在宇宙起點爆炸的多少秒,宇宙的溫度為多少度,而不是說宇宙大爆炸的多少秒,物質的個體存在狀態為多少速度/秒。溫度只是人們對外界的感覺得出的概念,它並不是用於表述所有物質存在狀態的描述。

採用動能的定義,顯然用於對物質溫度的普適性描述是存在困難的。尤其是在人類對物質世界深入到基本粒子的層次,我們不能描述單個粒子的溫度,如果它不對外存在作用。如果它對外提供相互作用,比如將它的能量(沿用傳統物理學中的概念)作用於另外一個粒子,我們發現,我們不能採用溫度的概念對這一物理事實進行描述,如果兩個粒子的質量存在不同,粒子間的相互碰撞雖然遵守能量轉化和守恆定律(常規動能能量與機械運動狀態間的定義,也只對兩種能量模式的定義關係),但是我們卻不能處理兩個粒子的溫度定義問題,因為碰撞過程中,粒子間的速度會存在變化,有可能使粒子的速度成倍的提高,當然,另一個粒子的動量減少。根據動能和溫度的關係,一個粒子的溫度會提高几倍。這應用於可燃物質的燃點和熔點等,顯然和事實不符。另一方面,人類在向低溫領域進軍的過程中,已經獲得了很大的收穫,我們現在已經進入開氏10的負7次方以下的領域。低溫的應用技術方面,也正在進入一個可喜的暢想之中。但是,我們是否考慮過這樣一個問題,溫度的定義與我們對低溫探索的主體是否適合。採用常規的定義體系是否合理。

對溫度的探索,從日常生活中對自然界物體的冷熱的感覺,一直到16世紀我們採用氣體和溫度間的關係來對物質冷熱程度進行判定,我們都毫不懷疑溫度的定義具有普適性。現在,我們採用電阻、光感、半導體等等技術手段對物質的溫度進行測定,溫度與物質存在狀態的屬性已經成為非常重要的關係之一,我認為,探討溫度概念的使用範圍仍然是有必要的,這不僅僅是在傳統的描述體系中存在描述上的困難。現在,在實用性的方面可描述的範圍進行適應性的修改,已經遠遠不夠了。我們是否懷疑過,微觀物質在物質分子震動狀態的存在狀態上,稍有一點微小的差別,比如;原子的震動速度,我們若採用一分子或原子在空間上的位移來計量,其空間位移10的負8次方每秒和10的負7次方每秒的差別。在溫度上會有什麼樣的區別,並且具有什麼意義。溫度在對宏觀的大量分子間對外相互作用的描述上,建立溫度概念的描述,是很方便的,但是,對於相對於空間位移幾乎靜止的物質狀態,去探討溫度的意義是否還有其存在的價值。

5 溫度 -單位換算

溫度TESTO175-T2溫度記錄儀
華氏度(Fahrenhite)和攝氏度(centigrade)都是用來計量溫度的單位。包括中國在內的世界上很多國家都使用攝氏度,美國和其他一些英語國家使用華氏度而較少使用攝氏度。華氏度是以其發明者GabrielD·Fahrenheir(1681-1736)命名的,其結冰點是31°F,沸點為212°F。1714年德國人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介質,製成玻璃水銀溫度計,選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計的零度,人體溫度為溫度計的100度,把水銀溫度計從0度到l00度按水銀的體積膨脹距離分成100份,每一份為1華氏度,記作「1℉」。按照華氏溫標,則水的冰攝氏溫標,攝氏度的發明者是AndersCelsius(1701-1744),其結冰點是0°C,沸點為100°C。1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標準大氣壓下,把水的冰點規定為0度,水的沸點規定為100度。根據水這兩個固定溫度點來對玻璃水銀溫度計進行分度。兩點間作100等分,每一份稱為1攝氏度。記作1℃。攝氏溫度和華氏溫度的關係: T℉=1.8t℃+32

6 溫度 -測溫方法

溫度帶溫度計的嬰兒奶瓶

測量溫度的方法很多,按照測量體是否與被測介質接觸,可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法兩大類。

接觸式測溫法的特點是測溫元件直接與被測對象接觸,兩者之間進行充分的熱交換,最後達到熱平衡,這時感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對象的溫度值。這種方法優點是直觀可靠,缺點是感溫元件影響被測溫度場的分佈,接觸不良等都會帶來測量誤差,另外溫度太高和腐蝕性介質對感溫元件的性能和壽命會產生不利影響。

非接觸式測溫法的特點是感溫元件不與被測對象相接觸,而是通過輻射進行熱交換,故可以避免接觸式測溫法的缺點,具有較高的測溫上限。此外,非接觸式測溫法熱慣性小,可達1/1000S,故便於測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。由於受物體的發射率、被測對象到儀錶之間的距離以及煙塵、水汽等其他的介質的影戲那個,這種方法一般測溫誤差較大。

7 溫度 -相關影響

溫度
溫度
物質溫度的定義在常規科學中已經根深蒂固,常規的理論中已經將溫度的定義確定在整個物理體系中。更改溫度的定義會存在相關科學的結構方法存在變化。

首先影響最大的是物理本身,這將結束常規物質的一種基本屬性,我們將不能採用溫度定義的方法對科學一些特定的領域進行描述,比如,描述太陽的溫度,我們不能用這樣的語言來描述:太陽核心的溫度是多少度。再比如對宇宙大爆炸初期的描述,宇宙大爆炸幾秒后,溫度達到多少多少。不能描述沒有物質存在的空間的溫度,同樣也不能描述孤立粒子的溫度。而換之的是對物質存在狀態的描述。

影響其次的是化學,我們知道,由於傳統的能量定義體系,化學和物理是分開的兩個科學體系,化學的描述方法僅用於不同化學物質間的轉化,即使現今的量子論,對化學的描述仍然是分開的兩個科學系統。從邏輯上來說,不論是化學,還是物理,所描述的對象是統一同一的物質,我們沒有理由確定兩個科學體系的方法是決然不同的,物理應該包含化學,換句話說,採用物理的方法同樣適用於化學的描述,如;解釋化學反應過程,解釋不同化學物質間的屬性。從物理的角度解釋化學結構規律。

雖然從量子論誕生的那一天開始,量子論的開創者們就已經開始對量子論擴展到化學的領域做了非常出色的工作,比如軌道理論、不相容原理等用於解釋化學的規律,但是由於能量的結構體系是採用能量守恆和轉化定律的形式,從而對物質運動變化的關係建立等量關係,這樣,就忽略了物質運動變化間真實的相互作用規律,量子論的統一,在物質運動變化的道理上來說,即:物理上來說,不是真實的物理關係,而是賦予物質運動變化間數理的邏輯關係。量子論所探討的不是物質運動變化的本身,而是純粹的物理理論與實踐的數量關係的對應,站在這樣的角度,量子論不能解決微觀物質間的真實。沿著現代物理科學的方向,我們很難看到下一步物理科學進一步向前發展的前景,雖然現代物理科學已經獲得了非常巨大的成就。溫度的概念回歸與物質的本身,會建立物質間真實的相互作用途徑,在這個意義上來說,化學將屬於物理的一部分,雖然我們還沒有看到採用何種方法去解釋化學的規律,也許元素周期律將是物理中的一個重大問題。Oakley Sunglasses


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8 溫度 -相關詞條

太陽

冥王星

沙漠

原子

攝氏度

月球

海王星

分子

宇宙

華氏度

9 溫度 -參考鏈接

1、http://www.boiler.com.cn/

2、http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E6%B8%A9%E5%BA%A6&variant=zh-cn

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