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“温度”究竟是什么?  

2010-03-04 10:33:00|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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“温度”究竟是什么?
科学史上的“温度认知”过程

 

“温度”究竟是什么? - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》 
摄氏温标是由摄尔修斯发明的。 

最近,美国科学家制造出了4万亿度的高温,这个匪夷所思的数字让人很难把它和“北京夏天40摄氏度高温”联系起来。4万亿度的高温是如何“测”出来的,这样的温度意味着什么?温度确实是一个非常难以理解又引人入胜的话题,当我们说温度时我们在说些什么呢?

 

1 建立

热力学,路漫漫

 

从直观上来说,温度和人对冷热的感受有关。冷热是人类最容易直观地感觉到,但同时又最晚被理解的现象之一。从人类诞生之日,就已经注意到春暖冬寒,有些古人还试图从理论上解释冷热的原因,比如东汉的王充曾写道:“夫近水则寒,近火则温,远之渐微,何则?气之所加,远近有差也。”但是真正从科学上研究热的热力学还是1656年才出现的。当年,爱尔兰科学家波义尔和英格兰科学家胡克继续“马德堡半球”实验开创的气体真空研究,终于发现气体体积、压力和温度之间存在着复杂的关系。

 

1714年,荷兰人华伦海特(DanielFahrenheit)改良水银温度计,定出华氏温标,建立了温度测量的一个共同的标准,使热学走上了实验科学的道路。1824年,法国科学家卡诺,第一个把热和动力联系起来,是热力学的真正的理论基础建立者。经过许多科学家两百年的努力,到1912年,能斯脱(WaltherHermann Nernst)提出热力学第三定律后,人们对热的本质才有了正确的认识,并逐步建立起热学的科学理论。

 

2 计量

温标是何物?

 

热学的基础是温度,如果连温度计量标准都没有,那么我们今天的温度标准是怎么来的呢?

 

摄氏温度是目前世界使用比较广泛的一种温标。它是18世纪瑞典天文学家摄尔修斯(AndersCelsius)提出来的。在1标准大气压下,他把水的沸点定为0℃,水的凝固点定为100℃,其间分成100等分,1等分为摄氏1度。但是,在使用中,这种从低到高的排列从人们感到很不方便。第二年,摄尔修斯就把该温度表的刻度值颠倒过来使用。这种温度表被称为摄氏温标(又叫百分温标)。后人为了纪念摄尔修斯,用他的名字第一个字母“C”来表示。

 

在美国,人们采用华氏温标。我们知道“华氏451”是纸燃烧的温度,有时还听说谁发烧到“102华氏度”这样的说法。那么,华氏度是怎么回事呢?

 

华氏温标是1714年由荷兰人华伦海特制定的。在这一年,他制成了第一支玻璃水银温度计。最初,华氏温标以NH4Cl(氯化铵)和水的混合物的温度为0℉,而以人(他妻子)的体温为100℉(后来修正为96℉)。此后,改为冰水混合物为32℉(即冰点),而以水沸点的温度为212℉,这就是华氏温标。

 

由此可知,摄氏温度和华氏温度的思路完全一样,只是0点不同,刻度大小也不一样。就温度范围来说,摄氏温标1度等于华氏温标9/5度,而0℃相当于32℉,所以把华氏度减去32,再乘以5/9就得出摄氏度。利用这个换算公式,可以知道“华氏451”等于233℃;而“102华氏度”相当于39℃,发烧到这个温度还死不了人。

 

3 寒冷

温度有条“底线”

 

有了温度计,人们可以更深入、更准确地研究热。最初,科学家们认为热是一种单独存在的物质。这个理论被称为“热质说”。这种说法把传热过程看作是“热质”的流动过程,并且产生了“热质守恒定律”。这种学说没法解释摩擦生热,所以一直受到挑战。1798年,英国物理学家伦福德通过摩擦生热的实验提出热是物质的一种运动形式。1799年,英国科学家戴维的冰摩擦生水的实验更推翻了热质说。

 

现在,科学家已经确认热不是一种单独的物质,而是物质内粒子无规则运动造成的现象,而温度正是度量这种无规则运动强度的方法。所以,我们可以这样粗略地理解温度:温度高就说明物质内粒子无规则运动速度大,反之说明物质内无规则运动速度小。实际上,物质内粒子的运动速度并不相同,温度是“粒子运动激烈程度(动能)平均值的一个指标”。它是一个相当不容易理解的概念。

 

根据温度的定义,无论是摄氏温度还是华氏温度,它们的“零度”都不是真正的“零度”。因为在此温度下物体的粒子还在做着相当激烈的运动。那么,温度有没有最低值呢?科学家认为,这个最低温度确实存在,被称为“绝对零度”,它等于-273.15℃。不过,宇宙中没有什么地方是绝对零度,因为只要有物质,多少会受到周围辐射等因素的作用而产生粒子的运动。宇宙中最冷的天体“布莫让星云”(BoomerangNebula)的温度是-272℃。同时,根据热力学第三定律,热量只能从温度高的物体传到温度低的物体,要使物体降温到绝对零度,只能用低于这个温度的物体来吸取它的热量,这肯定是不可能的,所以人工也没法制造出绝对零度。现在,科学家只能制造出比绝对零度高出10-10摄氏度的低温。有“绝对零度”,就有“绝对温度”。绝对温度以绝对零度为零度,温度间隔和摄氏度一样,其单位是开尔文(K),绝对温度等于摄氏温度加273.15。

 

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“布莫让星云”是宇宙中已知最冷的地方。

 

4 炽热

温度高,未必热

 

定义了零度,我们就可以定义更高的温度。水银温度计根据汞热涨冷缩原理制成。它一般只能被用于测量150℃以下的温度。一旦超过2000℃,任何需要热传递的接触式温度计都没法用了。不过,不用接触传热科学家们也能测温。基于温度和能量的关系,科学家可以计算出不同温度放射出的电磁波波长。电磁波按照从长到短的不同波长来区分,依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。一般来说,波长越短的电磁波,携带的能量越高。因此,物体的温度越高,它所发出的电磁波中所包含的短波长成分也越多。所以,可以通过天文望远镜观察天体放射的电磁波,来了解它们的温度。用这种方法,我们可以知道太阳的中心温度大约是2000万度。

 

美国科学家已经在相对论重子对撞机中制造出了4万亿度的高温,这个温度是怎么测出来的呢?中科院理论物理研究所研究员李淼说,这个数据是通过参与碰撞的粒子的能量算出来的,当然也可以观测到一些和这个温度相关的现象,比如电磁辐射。

 

但是新的问题又出现了,这4万亿度的高温是在加速器的管子里生成的,那管子还不全融化了啊?这就牵扯到一个重要的科学事实:温度和我们感受到的热是两回事!当我们泡温泉的时候,水温达到50℃就觉得烫得不行了,可蒸桑拿的时候,桑拿房的室温达到80℃我们也不会被烫伤。这是因为温泉里水分子的密度比蒸拿房里的气体分子密度高得多。它能够把更多的热量(也就是粒子的动能)传给人体,所以50℃的温泉池比80℃的桑拿房要“热”得多。我们还可以找到更极端的案例,距地球50亿光年的地方有一个RXJ1347.51145星系,其内部存在温度高达3亿℃的气体,但是假如我们置身其中,却根本就不会感到热!因为那些气体的密度非常低,每一立方厘米大约只有0.0001到0.01个原子(或离子)。同样的道理,对撞机里的高温也不会熔化管子,因为对撞机里的物质是很少的。

 

温度的世界有很多让人费解的地方,中科院物理研究所研究员曹则贤在接受本报记者采访时强调,在日常生活中我们所说的“温度”往往和科学定义区别很大,短短一篇文章也不可能真正让人理解温度的概念。所以,要想真正理解“我们在说温度的时候都在说些什么”,还需要查阅专业教科书。

 

新知专题采写/本报记者 刘铮

本专题感谢:

李淼(中科院理论物理研究所研究员)

曹则贤(中科院物理研究所研究员)

本专题部分资料来自《Newton科学世界》
 

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