溫度
| 熱力學 |
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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、大氣科學及生物學等。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及化學平衡。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。
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（絕對零度）。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準時也會使用蘭金溫標（對華氏溫標的調整）。
單位
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接近水的冰點，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：維也納標準平均海水的絕對零度和三相點。絕對零度被定義為0K及−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273.16K和0.01°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。
| 從攝氏溫標轉換 | 轉換為攝氏溫標 | |
|---|---|---|
| 華氏溫標 | [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 | [°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9 |
| 熱力學溫標 | [K] = [°C] + 273.15 | [°C] = [K] − 273.15 |
| 蘭金溫標 | [°R] = ([°C] + 273.15) × 9⁄5 | [°C] = ([°R] − 491.67) × 5⁄9 |
| 德利爾溫標 | [°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 | [°C] = 100 − [°De] × 2⁄3 |
| 牛頓溫標 | [°N] = [°C] × 33⁄100 | [°C] = [°N] × 100⁄33 |
| 列氏溫標 | [°Ré] = [°C] × 4⁄5 | [°C] = [°Ré] × 5⁄4 |
| 羅氏溫標 | [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5 | [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40⁄21 |
對自然的影響
| 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 |
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 | 無 |
| 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） |
| 維也納標準平均海水的三相點 （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[A] | 373.1339 K | 99.9839 °C | 7,766.03 nm （中波紅外線） |
| 電燈泡[B] | 2500 K | ≈2,200 °C | 1,160 nm （接近紅外線）[C] |
| 氧炔焰 | 3600 K | ≈3,300 °C | 可見光 |
| 太陽可見表面[D][7] | 5,778 K | 5,505 °C | 501.5 nm （綠-藍光） |
| 閃電[E] | 28 kK | 28,000 °C | 100 nm （遠紫外線光） |
| 太陽核心[E] | 16 MK | 1600萬 °C | 0.18 nm （X射線） |
| 核武器 （最高溫度）[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 machine[E][9] |
2 GK | 20億 °C | 1.4×10−3 nm （伽馬射線）[F] |
| 大質量恆星最後一天的核心[E][10] | 3 GK | 30億 °C | 1×10−3 nm （伽馬射線） |
| 融合中的雙中子星系統[E][11] | 350 GK | 3500億 °C | 8×10−6 nm （伽馬射線） |
| 相對論重離子對撞機[E][12] | 1 TK | 1兆 °C | 3×10−6 nm （伽馬射線） |
| CERN質子-核碰撞[E][13] | 10 TK | 10兆 °C | 3×10−7 nm （伽馬射線） |
| 宇宙在大爆炸之後5.391×10−44 s[E] | 1.417×1032 K | 1.417×1032 °C | 1.616×10−26 nm （普朗克長度） |
- A 維也納標準平均海水在一個標準大氣壓（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）。
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
- ^ The kelvin in the SI Brochure 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2007-09-26.
- ^ Absolute Zero. Calphad.com. [2010-09-16]. （原始內容存檔於2018-10-09）.
- ^ 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.
- ^ World record in low temperatures. [2009-05-05]. （原始內容存檔於2009-06-18）.
- ^ 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.
- ^ 在103.456 MHz頻率下，峰值輻射波長為2.89777 m。
- ^ 於2002年測量，有±3凱爾文的誤差。1989年的測量結果 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）為5,777.0±2.5 K。參考資料：Overview of the Sun （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (Chapter 1 lecture notes on Solar Physics by Division of Theoretical Physics, Dept. of Physical Sciences, University of Helsinki).
- ^ 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.
- ^ 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). （[//web.archive.org/web/20120419065825/http://prl.aps.org/abstract/PRL/v96/i7/e075003 頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Ion Viscous Heating in a Magnetohydrodynamically Unstable Z Pinch at Over 2×109 Kelvin] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, M. G. Haines et al., Physical Review Letters 96 (2006) 075003. Link to Sandia's news release. 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2010-05-30.
- ^ 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-28的α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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.更多資料可以參見這裡 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2013-04-11.，以及這裡 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2011-08-14.，另外還有來自NASA的有關星體的準確論述 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2010-10-24.。
- ^ Torus Formation in Neutron Star Mergers and Well-Localized Short Gamma-Ray Bursts （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, R. Oechslin et al. of Max Planck Institute for Astrophysics. （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, arXiv:astro-ph/0507099 v2, 22 Feb. 2006. An html summary （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
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