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关于温度的知识

发表时间:2022/05/28 01:37:12  浏览次数:1585  
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温度是表示冷热的物理量或系统中原子或分子的平均动能的量度。它是热能的表现,存在于所有物质中,当一个物体与另一个更冷或更热的物体接触时,它是热量发生的来源,一种能量流动。温度不应与热量混淆。

温度是用温度计测量的。温度计在历史上使用各种参考点和测温物质进行定义的各种温标中进行校准。最常见的标度是摄氏标度(以前称为摄氏度,表示为°C)、华氏标度(表示为°F)和开尔文标度(表示为 K),最后一种主要用于科学目的国际单位制(SI) 公约。

最低理论温度绝对为零,在该温度下,无法从物体中提取更多热能。实验上,它只能非常接近(100 pK),但无法达到,这在热力学第三定律中得到了认可。

温度标度有两种不同:选择为零度的点和标度上增量单位或度数的大小。

摄氏温度(°C) 用于世界大部分地区的常见温度测量。它是由历史进步发展起来的经验量表,导致它的归零0 °C由水的冰点定义,附加度数定义为在海平面大气压下, 100°C是水的沸点。因为有100度的间隔,所以被称为摄氏刻度。自从国际单位制中的开尔文标准化以来,它随后被重新定义为开尔文标度上的等效固定点,因此温度增加 1 摄氏度与增加 1 摄氏度相同1 开尔文,尽管它们的附加偏移量正好为 273.15。

绝对零

在温度绝对为零时,没有能量可以作为热从物质中去除,这一事实在热力学第三定律中得到了表达。在这个温度下,物质不包含宏观热能,但仍具有不确定性原理所预测的量子力学零点能量,尽管这并未进入绝对温度的定义中。实验上,绝对零只能非常接近;它永远无法达到(实验达到的最低温度是 100 pK)。从理论上讲,在绝对零温度的物体中,其粒子的所有经典运动都已停止,并且在经典意义上它们处于完全静止状态。绝对零,定义为0 K , 正好等于−273.15 °C,或−459.67°F。

绝对比例

参考玻尔兹曼常数、麦克斯韦-玻尔兹曼分布和玻尔兹曼熵的统计力学定义,与 Gibbs 定义不同,用于独立移动的微观粒子,不考虑粒子间势能,根据国际协议,温度刻度被定义并被称为绝对的,因为它独立于特定测温物质和温度计机制的特性。除了绝对零,它没有参考温度。它被称为开尔文量表,广泛用于科学和技术。开尔文(这个词用小写字母拼写k) 是国际单位制(SI) 中的温度单位。相对于绝对零,处于自身热力学平衡状态的物体的温度始终为正。

国际开尔文量表

许多科学测量使用开尔文温标(单位符号:K),以纪念首先定义它的物理学家而命名。这是一个绝对规模。它的数值零点,0K,是温度的绝对零。自 2019年5月以来,其度数已通过粒子动力学理论和统计力学定义。在国际单位制(SI) 中,开尔文的大小是通过对微观粒子平均动能的各种经验测量来定义的。它根据玻尔兹曼常数进行数值评估,其值由国际惯例定义为固定值。

理解了温度,再来看一看温度测量。

温度测量(也称为测温法)描述了测量当前局部温度以便立即或以后进行评估的过程。由重复的标准化测量组成的数据集可用于评估温度趋势。

两千年前的希腊哲学家就知道了一些测温原理。正如亨利·卡林顿·博尔顿 (Henry Carrington Bolton ) (1900) 所指出的,温度计“从一个粗制滥造的玩具发展为一种精密仪器已经用了一个多世纪,而且它的早期历史充满了错误的陈述,这些错误的陈述被他们所接受的教条主义所重申。权威的虚假印记。” 在 18 世纪的前几十年,在荷兰共和国,丹尼尔·加布里埃尔·华氏[2]在测温史上取得了两次革命性的突破。他发明了水银玻璃温度计(第一个广泛使用、准确、实用的温度计)和华氏温度刻度(第一个被广泛使用的标准化温度刻度)。

已经开发了许多测量温度的方法。其中大多数依赖于测量随温度变化的工作材料的某些物理特性。测量温度的最常见设备之一是玻璃温度计。它由一个装满汞或其他液体的玻璃管组成,作为工作流体。温度升高会导致流体膨胀,因此可以通过测量流体的体积来确定温度。这种温度计通常经过校准,因此人们可以通过观察温度计中的液位来简单地读取温度。另一种在实践中使用不多但从理论角度来看很重要的温度计是气体温度计。

其他重要的温度测量设备包括:

  • 热电偶
  • 热敏电阻
  • 电阻温度检测器(RTD)
  • 高温计
  • 朗缪尔探针(用于等离子体的电子温度)
  • 红外线温度计
  • 其他温度计

测量温度时必须小心,以确保测量仪器(温度计、热电偶等)与被测量材料的温度确实相同。在某些情况下,来自测量仪器的热量会导致温度梯度,因此测得的温度与系统的实际温度不同。在这种情况下,测得的温度不仅会随着系统温度的变化而变化,还会随着系统的传热特性而变化。

人类、动物和植物所体验的热舒适度不仅仅与玻璃温度计上显示的温度有关。环境空气中的相对湿度水平可以引起或多或少的蒸发冷却。湿球温度的测量使这种湿度效应正常化。 平均辐射温度也会影响热舒适度。即使玻璃温度计显示相同的温度,风寒因素也会使大风条件下的天气比平静条件下的天气更冷。气流增加了从或到身体的热传递速率,导致相同环境温度下体温的更大变化。

温度计的理论基础是热力学第零定律,它假设如果你有三个物体,A,B和C,如果A和B处于相同的温度,B和C处于相同的温度,那么A和C是在相同的温度。B当然是温度计。

在某些条件下,可以通过直接使用普朗克黑体辐射定律来测量温度。例如,宇宙微波背景温度是根据WMAP等卫星观测观测到的光子光谱测量的。在通过 重离子碰撞研究夸克-胶子等离子体时,单粒子光谱有时可以用作温度计。

近几十年来,已经开发了许多测温技术。在生物技术背景下,最有前途和最广泛使用的非侵入性测温技术是基于磁共振图像、计算机断层扫描图像和回声断层扫描的分析。这些技术允许在不引入传感元件的情况下监测组织内的温度。在反应流(例如燃烧、等离子体)领域,激光诱导荧光 (LIF)、CARS 和激光吸收光谱已被用于测量发动机、燃气轮机、激波管、合成反应器内部的温度等。这种基于光学的技术的能力包括快速测量(低至纳秒时间尺度),尽管能够扰乱测量对象(例如,火焰、冲击加热的气体)。

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