温度

温度

温度（temperature[0]）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是衡量物体分子（原子）热运动剧烈程度的物理量。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是通过绝对温标来描述和量化温度的。[11]温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。值得注意的是，少数几个分子甚至是一个分子构成的系统，由于缺乏统计的数量要求，是没有温度的意义的。[12]温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。[13]温度理论上的高极点是“普朗克温度”，而理论上的低极点则是“绝对零度”。“普朗克温度”和“绝对零度”都是无法通过有限步骤达到的。[14][15]

温度（temperature[1]）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是衡量物体分子（原子）热运动剧烈程度的物理量。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是通过绝对温标来描述和量化温度的。[12]温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。值得注意的是，少数几个分子甚至是一个分子构成的系统，由于缺乏统计的数量要求，是没有温度的意义的。[13]

温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。[14]温度理论上的高极点是“普朗克温度”，而理论上的低极点则是“绝对零度”。“普朗克温度”和“绝对零度”都是无法通过有限步骤达到的。[15][16]

热力学温度是国际单位制中7个基本物理量之一。[17]温度是用温度计测量的。温度计在各种温标中进行校准，这些温标使用各种参考点和温度物质进行定义。目前国际上用得较多的温标有摄氏温标（°C）、华氏温标（°F）、热力学温标（K）和国际实用温标。[18][19][11][20]

温度在自然科学的各个领域有重要应用，包括物理学、化学、军事、地球科学、天文学、医学、生物学、生态学、材料科学、冶金学、机械工程和地理学，在日常生活的大多数方面都有应用。[2][3][4][5][6][7][8][9]

历史

古代哲人对冷热的各种见解以及他们测定冷热程度的尝试，都是建立在人们的感觉经验基础上的。对物质冷热性质规律的了解还只处于朴素的直觉经验阶段，并没有上升为科学的高度。古代人们对于冷热程度的划分，也是停留在感觉经验基础上的。[21]

现在较公认的看法认为，温度计的发明者是伽利略（Galileo）。他取细长玻璃管一根，一端连有玻璃泡，另一端开口，倒插于盛有着色水的容器中（见下图），由管中水柱的升降来表示“热度”（那时还没有温度的概念）。伽利略的装置（1659年）没有刻度，且与气压变化有关，很不精确，只能称做验温器，说不上是温度计。伽利略之后约180年内，经众多人的努力，出现了愈来愈完善的温度计，并创立了几种温标。建立一种温标（temperature scale）需要三个要素：测温物质、测温属性和固定标准点。一般说来此三要素都与物质的选择有关，故称经验温标。仅就固定标准点而言，早年建立而目前还在使用的温标有：华氏温标和摄氏温标。[11]

伽利略温度计
伽利略温度计

纪尧姆·阿蒙顿（Guillaume Amontons）开发了气压温度计（1702年），并发表了两篇关于温度测量的著名论文（1702-03年）。他设计了一种测量温度变化的方法，即恒定质量和体积的空气压力的比例变化。这种方法最终导致了19世纪温度绝对零度的概念。[22]

休·朗伯恩·卡伦达（H.L.Callendar），在1920年发明了一种基于铂电阻率的精确温度计；从那时起，铂电阻温度计就被规定用于测定国际公认的温标定义点之间的温度。[23]

早期温标的种类很多，除常见的摄氏温标、华氏温标外还有兰氏、列氏等，都有各自相应的特点，当然也都存在上述缺点。由于经验温标存在着严重缺陷，在当时引起了温度计量方面的混乱，影响了各国贸易的往来。随着工业和科技的发展，人们希望能够建立一种与工作物质的性质无关的温标。开尔文于1848年提出了热力学温标，也称开氏温标。[20]

1990年国际温标（ITS-90）的热力学温度记为T，为了区别以前的温标，用T90代表新温标的热力学温度，其单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点热力学温度的1/273.16。[20]与此并用的摄氏温度记为t90，单位是摄氏度（符号为℃）。[20]国际温标（ITS-90），也称为国际实用温标。[24]

1990年国际温标，根据给定定义固定点温度值以及在这些固定点上分度过的标准仪器来实现热力学温标。各固定点间温度依据内插公式使标准仪器的示值与热力学温标的温度值相联系。[20]开尔文和摄氏度由两个固定点定义：绝对零度和维也纳标准平均海水的三点，维也纳标准平均淡水是用特定的氢和氧同位素混合物专门配制的水。绝对零度定义为精确的0 K和−273.15°C。273.16 K和0.01°C的温度被定义为水的三相点温度。这个定义有以下目的：它将开尔文的大小固定为绝对零度和水的三相点之间差的273.16分之一；它确定了1开尔文的大小与摄氏度的大小完全相同；并确定了这些标度的零点之间的差异为273.15 K（0 K=−273.15°C和273.16 K=0.01°C）。[25]

自2019年以来，有了一个基于玻尔兹曼常数的新定义，1开尔文被定义为“对应玻尔兹曼常数为1.380649×10-23 J·K-1的热力学温度”。[26]

基础理论

温度是衡量物质状态特征的指标。[27][12]这个特征可以被视为比任何测量它的特定温标都更抽象的实体，一些人称之为热。[28]热度是指仅在特定位置的物质状态，通常，除了处于热力学平衡稳定状态的物体外，热度因地而异。在特定的地方，物质不一定处于稳定且几乎均匀的状态，从而使其具有明确的热度或温度。热度可以抽象地表示为一维流形。每个有效的温标都有自己的一对一映射到热度歧管中。[29][30]

当两个热接触的系统处于相同的温度时，它们之间没有热传递。当温差确实存在时，热量会自发地从较暖的系统流向较冷的系统，直到它们处于热平衡状态。这种热传递通过传导或热辐射发生。[31][32][33][11]

处于热力学平衡状态的物体

对于实验物理学来说，热性意味着，当比较任何两个给定物体在各自独立的热力学平衡中时，任何两个具有数值刻度读数的适当给定的经验温度计都会同意两个给定的物体中哪个更热，或者它们的温度相同。[34]这并不要求两个温度计的数值刻度读数之间存在线性关系，但要求其数值读数之间的关系应严格单调。[35][36]根据热辐射的Wien位移定律，可以独立于量热法、热力学和特定物质的性质，对更大的热度有明确的感觉：热辐射浴的温度通过一个通用常数与其频谱最大值的频率成比例；这个频率总是正的，但是可以具有趋向于零的值。热辐射最初是为处于热力学平衡的空腔定义的。这些物理事实证明了一个数学陈述，即热存在于有序的一维流形上。这是处于自身热力学平衡状态的物体的温度和温度计的基本特征。[37][29][30][38][39][40]

除了经历一阶相变（如冰融化）的系统外，当封闭系统接收热量时，其体积没有变化，作用在其上的外力场也没有变化，其温度会上升。对于一个经历如此缓慢的相变以至于可以忽略偏离热力学平衡的系统，当系统被提供潜热时，其温度保持恒定。相反，在没有相变、体积没有变化、作用在其上的外力场没有变化的情况下，封闭系统的热量损失会降低其温度。[41]

物体处于稳定状态但不处于热力学平衡状态

虽然对于处于自身热力学平衡状态的物体，温度的概念要求所有经验温度计必须就两个物体中哪一个更热或它们处于相同的温度达成一致，但这一要求对于处于稳态但不处于热力学平衡的物体来说是不安全的。那么，不同的经验温度计很可能对哪个更热存在分歧，如果是这样，那么至少有一个物体没有明确定义的绝对热力学温度。然而，对于一系列合适的过程，任何一个给定的物体和任何一个合适的经验温度计仍然可以支持经验、非绝对、热度和温度的概念。这是非平衡态热力学研究的问题。[42]

非稳态的物体

当一个物体处于非稳态时，温度的概念就变得比不处于热力学平衡的稳态物体更不安全。这也是非平衡态热力学研究的一个问题。[43][44]

热力学平衡定律

对于热力学平衡的定律化处理，自20世纪30年代以来，提及热力学第零定律已成为惯例。这种定律的习惯性最低版本只假设所有物体在热连接时处于热平衡状态，根据定义应该说它们具有相同的温度，但其本身并没有将温度确定为一个以实数表示的量。这种定律的一个更具物理信息的版本将经验温度视为热度流形上的图表。[29][39][45]虽然第零定律允许定义许多不同的经验温度标度，但热力学第二定律选择了一个优选的绝对温度的定义，该温度在任意标度因子下都是唯一的，因此称为热力学温度。[37][29][46][47][48]如果内能被认为是热力学平衡中均匀系统的体积和熵shāng的函数，则热力学绝对温度表现为内能相对于恒定体积下熵的偏导数。它的自然、内在原点或零点是绝对零，在绝对零处，任何系统的熵都处于最小值。尽管这是该模型所描述的最低绝对温度，但热力学第三定律假设任何物理系统都不能达到绝对零度。[49][50][51][52]

来自单粒子统计的广义温度

甚至可以将温度的定义扩展到少数粒子的系统，例如量子点。在具有单/双占用系统的小型费米子系统（N甚至小于10）之间的热和粒子交换的情况下，广义温度是通过考虑时间系综，而不是统计力学中给出的构型空间系综来获得的。有限量子巨正则系综，在遍历性和正交性假设下获得，允许用平均占用时间的比率来表示广义温度单/双占用系统：

其中为费米能量，为系统能量，为广义温度，为单/双占用系统时间，N为稀释气体的电子数，表示玻尔兹曼常数。当 N 趋于无穷大时，这种广义温度趋向于普通温度。[53][54][55]

动力学理论方法

麦克斯韦（Maxwell）和玻尔兹曼（Boltzmann）发展了一种动力学理论，对气体中的温度有了基本的理解。[56]这一理论还解释了理想气体定律和观察到的单原子（或“稀有”）气体的热容。[57][58][59]

理想气体定律是基于观察到的压力（p）、体积（V）和温度（T）之间的经验关系，早在气体动力学理论发展之前就已经得到了认可（见波义耳定律和查尔斯定律）。理想气体定律指出：[60]，

其中是气体的摩尔数，是气体常数。[61]

动力学理论假设压力是由单个原子撞击墙壁的力引起的，所有能量都是平移动能。使用复杂的对称性论点[62]，玻尔兹曼推导出了理想气体中粒子速度的麦克斯韦–玻尔兹曼概率分布函数。根据该概率分布函数，单原子理想气体的平均动能（每粒子）为[58][63]

其中玻尔兹曼常数是理想气体常数除以阿伏伽德罗数，是均方根速度。[64]温度和平均分子动能之间的直接比例关系是均分定理的一个特例，仅在理想气体的经典极限下成立。它并不完全适用于大多数物质。[64]

热力学方法

热力学是利用宏观方法研究热现象中物态转变和能量转换规律的一门科学，其中最重要的概念是热平衡。[17]

热力学第零定律

在热力学中，根据系统达到热平衡状态的特征，得出通常所说的热力学第零定律——在三个热力学系统中，如果其中两个系统中每一个系统都与第三个系统处于热平衡，则它们彼此也必定处于热平衡。该定律表明，一切互为热平衡的系统必定具有一个数值相等的状态参量，此参量称为温度。它是系统是否与其他系统处于热平衡的标志，并能证明一切互为热平衡的系统都有相同的温度。[17]

热力学第零定律是20世纪30年代由否勒（R.H.Fowler）提出的，远在热力学第一、第二定律提出80年之后。为了想说明在逻辑上它应该在那两条定律之前，故名之曰"第零定律”。[11]

热力学第零定律
热力学第零定律

热力学第零定律，也称热平衡定律，即在与外界影响隔绝的条件下，如果物体A.B分别与处于确定状态下的物体C达到热平衡（见图a，b），则物体A和B也是相互热平衡的（见图c）。[11]

在与外界影响隔绝的条件下，使两物体（热力学系统）接触，让它们之间能发生传热（这种接触叫做热接触），则热的物体变冷，冷的物体变热，经过一段时间后，它们的宏观性质不再变化。我们说，它们彼此达到了热平衡状态。此后，在不受外界影响的条件下，这种热平衡状态将保持下去。[11]

当两个物体达到热平衡后，我们直觉地认为它们一定是同样冷热的。因此我们可以给“温度相同”下个定义，即两个相互处于热平衡的物体温度相同.这个定义为温度的测量提供了理论依据，因为我们可以设想这两个物体之一是温度计，当它与待测物体达到热平衡时，它的温度与待测物体的温度一致，从而它的读数正确地显示了该物体的温度。[11]

按照上述定律，用温度计C分别去测相互热平衡的物体A、B所显示的读数相同。这就使温度的操作定义与“温度相同”的理论定义协调起来了。此定律还为不同的经验温标之间的校准提供了准则，亦即，同时与同一物体C达到热平衡的不同种温度计A、B所示的温度应认为是相等的，尽管它们的读数可以不等。[11]

热力学第二定律

若系统由状态1出发经过某一过程到达状态2，系统再由状态2返回状态1时，原过程对外界产生的一切影响也同时消除，则由状态1到状态2的过程称为可逆过程，否则就是不可逆过程。[65]

例如，一个理想气体系统由状态1（）出发，按准静态等温膨胀过程到达状态2（），如下图所示。假如在此过程中，不存在诸如摩擦力、黏性力等引起耗散效应的因素，那么过程1→2就是可逆过程。在此过程中，系统从外界吸收的热量QT全部用于对外界做功A，它们数值相等，则为[65]

图：准静态等温膨胀过程
图：准静态等温膨胀过程

若系统由状态2返回状态1，经历了与过程1→2相同的中间状态，即过程2→1，那么过程2→1一定是准静态等温压缩过程。在过程2→1中，外界对系统做功，全部转变为系统向外界释放的热量Q'T，数值为，所以。[65]

这表示，当系统由状态2返回状态1时，在原过程1→2中，系统从外界吸收的热量，又释放给了外界，系统对外界所做的功，外界又以等量的功归还给系统。系统和外界都恢复了原状，因此，过程1→2是可逆过程。[65]

由此可见，可逆过程必须是准静态过程，而且必须是无耗散效应的过程。[65]严格的准静态过程是不存在的，它只是一种理想状况。另外，无耗散效应的过程实际上也是不存在的。例如，当活塞移动时，必须克服汽缸壁对活塞的摩擦力而做功，这部分功将以热能的形式散发到周围的空气中。所以，无耗散效应的过程也只是一种理想状况。由此得到，严格的可逆过程实际上是不存在的。自然界中发生的一切与热现象有关的过程都是不可逆过程，热力学第二定律正是这种不可逆性的反映。[65]

热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动地从低温物体传向高温物体。从对逆循环的讨论中知道，系统从低温物体吸收热量而向高温物体释放热量，外界必须对系统做功。根据热力学第二定律的克劳修斯表述，假如外界不对系统做功，系统不可能从低温物体吸取热量并向高温物体释放热量，从而达到使低温物体制冷的目的。[65]自然界中过程的进行，除必须遵循能量守恒定律之外，还必须受到方向性的限制，即某一方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不可能实现。[65]

理想气体的热状态方程为：，

式中：：气体普适常数；：气体的压强；：气体的体积；：气体的热力学温度。[17]该式说明这一定量气体的热力学温度（）表征了自身内能（）的大小。[17]

以上叙述不仅指出了温度的宏观概念，而且还为测量温度和检定温度计提供了依据。如选择适当的系统作为标准温度计，使其与待测温度的系统或某支温度计处于同一热平衡状态，这时，标准温度计的温度就等于待测系统或该温度计的温度。[17]

密集的可变性

在热力学术语中，温度是一个密集变量，因为对于给定的物体，它等于一个广泛变量相对于另一个的微分系数。因此，它具有两个广泛变量之比的维度。在热力学中，两个物体通常被认为是通过与公共壁接触而连接的，公共壁具有一些特定的渗透特性。这种特定渗透率可以称为特定的密集变量。一个例子是一个透热壁，它只能透过热量；这种情况下的强度变量是温度。当两个物体通过特定的渗透壁连接很长一段时间，并稳定在永久稳定状态时，两个物体中的相关密集变量是相等的；对于透热壁，这种说法有时被称为热力学第零定律。[66][50][51]

特别是，当物体通过陈述其内能U（一个广义变量，作为其熵S的函数）和其他状态变量V，N来描述时，其中U=U（S，V，N），则温度等于内能相对于熵的偏导数：[50][51][52]

同样，当物体被描述为其熵S是其内能U和其他状态变量V，N的函数，其中S=S（U，V，N）时，温度的倒数等于熵相对于内能的偏导数：[50][52][67]

绝对温度的定义，是由开尔文建立的。它指的是对物质转移封闭的系统，并特别强调直接的实验程序。吉布斯对热力学的介绍从更抽象的层面开始，涉及对物质转移开放的系统；在热力学的发展过程中，上面的两个方程实际上是温度的替代定义。[68]

局部热力学平衡

现实世界中的物体往往不处于热力学平衡状态，也不均匀。对于经典不可逆热力学方法的研究，物体通常在空间和时间上被概念上划分为小尺寸的“细胞”。如果物质的经典热力学平衡条件在这样的“细胞”中得到了很好的近似，那么它是均匀的，并且存在温度。如果身体的每个“细胞”都是这样，那么局部热力学平衡就被认为在整个身体中占主导地位。[69][70][71][72][73]

热容

热容，物质吸收的热量与温度变化的比率。它通常表示为每度的卡路里，以物质的量表示，最常见的是摩尔（以克为单位的分子量）。以每克卡路里为单位的热容称为比热。卡路里的定义基于水的比热，定义为每摄氏度一卡路里。[74]

在足够高的温度下，所有元素的每个原子的热容趋于相同。对于其他物质，热容及其温度变化取决于原子（可用量子态）的能级差异。热容是用各种量热仪测量的，并且使用热力学第三定律的公式，热容测量作为确定各种物质熵的一种手段变得很重要。[74]

如果变化是恒定体积下的温度升高，没有相变，也没有化学变化，那么物体的温度升高，压力增加。传递的热量ΔQ除以观察到的温度变化ΔT，即为物质在恒定体积下的热容[75]：

负温度

长期以来，人们一直认为绝对温度只能是正数。但在1951年，珀色耳（Parcell）和庞德（Pound）在LiF晶体上发现核自旋体系可处在绝对温度为负的态上1956年拉姆塞（Lamsay）利用量子统计给出了理论说明。[76]

根据热力学基本方程，绝对温标T与熵S和内能E的增量存在如下关系：[77][76]

从该关系可以看到，如果系统熵和能量同向变化，则，反之则。一般情况下，内能增加，系统的总是增大的，系统总是处于正温度。但在一定条件下，某些系统可以达到真正的负温度；也就是说，其热力学温度可以是一个负数。[77]

绝对温标T与熵S和内能E的增量之间的关系
绝对温标T与熵S和内能E的增量之间的关系

2013年1月3日，德国物理学家宣布，他们使用钾原子超冷量子气体实现了这种负绝对零度，通过迅速改变钾原子晶格结构所处的磁场，将系统从最稳定的状态突然转变为最高能态，在这种情况下，系统的熵与能量是反向变化的。[78][79]

然而，一个具有负绝对温度的系统并不比绝对零度更冷。相反，一个具有负温度的系统比任何具有正温度的系统更热，因为如果一个负温度系统和一个正温度系统接触，热量将从负温度系统流向正温度系统。从冷热角度考虑，按照由冷至热的顺序，可以对正温度和负温度从左至右进行排列，可以看到，绝对零度仍然是“最冷”的。在负温度下，系统的状态变化仍然遵从热力学基本定律。[77]

测量

热力学第零定律不仅给出了温度的概念，并且指明了测量温度的方法：因为一切互为热平衡的系统都具有相同的温度，就可以选择适当的系统作为标准，用它作为温度计（测量温度仪器的统称）。在进行温度测量时，使作为温度计的系统与待测系统进行热接触，只要经过一定时间，等它们之间达到热平衡后，温度计所指示的就是待测系统的温度。这样，就可将温度计作为共同标准，来比较不直接接触的各物体之间的温度的异同。[14]

而温度计的选择就要涉及到温度的数值表示法。温度的数值表示法叫做温标，在科学史上，有记载的各国所用的温标有十九种之多。[14]

由于温度本身是一个抽象的物理量，对温度的测量也与其他测量有很大不同。温度不像长度、质量和时间等物理量，它不能直接与标准量比较而测出，必须通过测量某些随温度而变化的物体的性质来反映，这些物体的性质包括几何尺寸、弹性、电导率、热电势和辐射强度等。通过测出某个参数的变化就可以间接地得到被测物体的温度，这就是温度计的测温原理。[18]

单位

摄氏温标

摄氏温标是瑞典天文学家A·摄尔西乌斯（A.Celsius）于1742年制定的，也叫百分温标。最初，他把水的冰点定为100℃，沸点定为0℃，这很不合人们的习惯。他的同事斯特雷默（M.Stromer）建议倒过来，把水的冰点定为0℃，沸点定为100℃，这便是现在使用的摄氏温标。用℃表示。摄氏温标目前在生活中和科技中使用得最普遍。最初的温度计以酒精或水银为测温物质，选它们的热膨胀作为测温属性。水银温度计仍是目前在常温下最常使用的温度计。以气体为测温物质的温度计有两种：定体气体温度计（以压强为测温属性）和定压气体温度计（以体积为测温属性）。此外，金属的电阻温度计和温差电偶温度计适用于从低到高很宽的温度范围，在科学技术中有着广泛的应用。[19][11]

华氏温标

华氏温标是德国物理学家D·华论海特（G. D. Fahrenheit）在1714年建立的。他规定冰和盐的等量混合物的温度为0 °F，人体正常温度为96 °F（后来调整为98.6 °F），用°F表示。这样，水的凝固点则为32 °F，沸点为212 °F，两点的间隔为180 °F。目前只有英美在工程界和日常生活中还保留华氏温标，除此之外较少有人使用了。[19][11]

绝对温标

绝对温标是英国物理学家T.W.开尔文于1848年以热力学第二定律为基础提出的，与测温物质无关的温标，即以理论上的绝对零度定为零点的温标，用K表示。定义水的液态，固态与气态三种形式同时存在的温度与绝对零度之间的间隔为273.15 K。[19][80]

根据卡诺定理，与工作物质无关的两个热量之比应等于温度之比，即

开尔文提出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。乔克（Glaue）于1938年提议用冰点作为该温标的固定点。之后，人们发现水的三相点（273.16K）的稳定性能长期维持在0.1mk范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温标的基本固定点，此温标的表达式为

这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。[80]

列氏温标

列氏温标为博物学家R.列奥米尔（R.A.F.de Reaumur）于1730年制定的。规定水的凝固点为0 °Ré，标准大气压下沸点为80 °Ré，用°Ré表示，曾一度流行，到1970年后实际上已废弃。[19][81]

兰金温标

兰金温标格拉斯哥大学工程师和物理学家麦夸恩·兰金（Macquorn Rankine）于1859年提出的。[82]兰金温标上的零是绝对零，但一个兰金度（°R或°Ra）的温差被定义为等于1华氏度，而不是开尔文温刻度上使用的摄氏度。将绝对温标转换为兰金温标时，1 K = 1.8 °R，0 K=0 °R。[83]兰金温标仍然用于工程系统中。[84]

德利尔温标

德利尔温标是法国天文学家约瑟夫-尼古拉斯·德利尔（Joseph Nicolas Delisle，1688-1768）于1732年发明的温标。[85]1732年，德利尔制造了一种使用汞作为工作流体的温度计，选择了以沸水温度为固定零点的天平，并以十万分之一的单位测量了汞（在较低温度下）的收缩。[85]德利尔温度计通常有2400或2700个刻度。[86]

牛顿温标

牛顿温标是艾萨克·牛顿于1701年设计的温标。[87]牛顿使用亚麻籽油作为测温材料，并根据他的参考点测量其体积变化。他将“水开始结冰”定为0，这让人想起了现代摄氏度的标准（即0°N=0°C），但他没有第二参考点；他确实给出了“水开始沸腾的温度”为33，但这并不是一个定义性的参考；体温和水的冰点和沸点的值表明，牛顿和摄氏度之间的换算系数在3.08（12°N=37°C）到3.03（33°N=100°C）之间，但由于给定的客观可验证的参考点导致了不可调和的数据（尤其是高温），因此不可能在两个刻度之间进行明确的“换算”。[88]

罗氏温标

罗氏温标，是丹麦天文学家奥勒·克里斯滕森·勒默（Ole Christensen Rømer）于1701年提出的温标。它是基于纯水的冰点为7.5度和水的沸点为60度。[89]

几种温标的相互关系

温标名称从摄氏温标转换转化为摄氏温标
华氏温标[°F]= [°C] ×9/5 + 32[19][90][°C] =（[°F]- 32）×5/9[19][90]
热力学温标[K] = [°C] + 273.15[19][90][°C] = [K] - 273.15[19][90]
兰金温标[°R] =（[°C] + 273.15）x9/5[91][°C] =（[°R] - 273.15）x5/9[91]
德利尔温标[°De] = （100 - [C]）x3/2[85][°C]= 100 - [°De]x2/3[85]
牛顿温标[°N] =[°C] x33/100[92][°C]=[°N] x 100/33[92]
列氏温标[°Ré] = [°C]x4/5[81][°C]= [°Ré]x 5/4[81]
罗氏温标[°Rø] = [°C] x21/40 +7.5[93][°C] =（[°Rø] -7.5）x40/21[93]

测量方法

温度测量的方法很多，一般根据传感器是否与被测介质直接接触，分为接触式测温和非接触式测温两大类。[18]

接触式测温

接触式测温是指通过传感器与被测对象直接接触进行热交换来测量物体的温度。按测温原理分为膨胀式，压力式，热电阻式和热电偶式四类。例如，利用介受热膨胀的原理来检测温度，如水银温度计，压力式温度计和双金属温度计等。有利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度，如热电阻、热敏电阻、电子温度传感器和热电偶等。[18]

接触式测温简单可靠，而且测量精度较高，因此应用广泛。但是由于测温元件需要与被测介质进行充分接触才能达到热平衡，需要一定的时间，因而会产生滞后现象，而且可能与被测对象发生化学反应。另外，由于耐高温材料的限制，接触式测温一般难以用于高温测量。[18]

非接触式测温

非接触式测温是通过接收被测物体发出的热辐射来测定温度的，测温原理主要是辐射测温。实现这种测温方法，可利用物体表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。根据检测辐射功率的不同，可分为全辐射法﹑部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。非接触式测温由于传感器不与被对象接触，因而测温范围很广，测温上限不受限制，测温速度较快，而且可以对运动的物体进行测量。但是由于受到物体的热发射率，被测对象到仪表之间的距离，烟尘和水汽等其他介质的影响，一般测温误差较大、精度较低，因此通常用于高温测量。[18]

红外体温测量
红外体温测量

测量工具

常见的测量工具包括热电偶[94]、热敏电阻[95]、电阻温度检测器（RTD）[96]、高温计[97]、朗缪尔探针（用于等离子体的电子温度）[98]、红外测温仪[99]、玻璃温度计[100]、气体温度计[101]等。

热电偶

热电偶是最容易使用和获得的温度传感器之一，广泛应用于科学和工业领域。它们的原理基于沿其长度经历温度梯度的电导体中发生的塞贝克效应。它们具有简单、坚固耐用、无需电池、可在非常宽的温度范围内进行测量等特点。[94]

热电偶
热电偶

热敏电阻

热敏电阻有两种类型，NTC热敏电阻传感器和PTC热敏电阻传感器。

NTC热敏电阻（负温度系数热敏电阻）的电阻随着体温的升高而降低。NTC热敏电阻是使用粉末金属氧化物生产的，这些氧化物和稳定剂的确切成分决定了热敏电阻的电气特性。NTC热敏电阻传感器具有非线性温度与电阻的关系，可承受-55°C至+300°C的温度范围。[95]

PTC热敏电阻（正温度系数热敏电阻）的电阻会随着体温的升高而增加。PTC热敏电阻的两种主要类型包括非线性器件的陶瓷开关PTC和高度线性的硅PTC。开关 PTC 的转变温度通常在 60°C 至 120°C 之间。 硅PTC热敏电阻的额定温度通常高达150°C，如果在此温度以上使用，它们可能会表现出负温度系数。硅基PTC热敏电阻的漂移比NTC热敏电阻小得多。它们是固有稳定的器件，密封在轴向引线玻璃封装中。硅PTC热敏电阻非常可靠，使用寿命很长。[95]

热敏电阻
热敏电阻

电阻温度检测器（RTD）

电阻温度计，也称为电阻温度检测器（RTD），是用于测量温度的传感器。许多RTD元件由缠绕在耐热陶瓷或玻璃芯上的细线组成，但也使用其他结构。RTD 线是一种纯材料，通常为铂 （Pt）、镍niè （Ni） 或铜 （Cu）。该材料具有精确的电阻/温度关系，用于提供温度指示。由于RTD元件很脆弱，它们通常被安置在保护探头中。[96]

电阻温度检测器
电阻温度检测器

高温计

高温计或辐射温度计是一种遥感温度计，用于测量远处物体的温度。历史上存在着各种形式的高温计。在现代应用中，它是一种从远处根据表面发射的热辐射量来确定表面温度的设备，是一种辐射测量法。[97]

光学高温计
光学高温计

朗缪尔探针（用于等离子体的电子温度）

朗缪尔探针是一种用于确定等离子体的电子温度、电子密度和电势的装置。它的工作原理是将一个或多个电极插入等离子体中，在各个电极之间或它们与周围容器之间具有恒定或时变的电势。该系统中测得的电流和电位可以确定等离子体的物理性质。[98]

朗缪尔探针
朗缪尔探针

红外测温仪

所有物体都以红外辐射的形式散发热量。红外线温度计测量物体发出的红外线，以确定物体的温度。如果使用激光来帮助瞄准温度计，它们有时被称为激光温度计，或者非接触式温度计或温度枪，以描述设备从远处测量温度的能力。[99]

红外测温仪
红外测温仪

玻璃温度计

利用液体与贮液管球温度膨胀系数不同，读取液体在玻璃毛细管中的高度位置示值的温度测量仪表。[100]

玻璃温度计
玻璃温度计

气体温度计

利用气体热特性的温度计。该仪器有两种形式：气体保持恒定体积的类型，压力是温度特性;气体保持在恒定压力的类型，体积是温度特性。[101]

气体温度计
气体温度计

应用

温度在自然科学的各个领域有重要应用，包括物理学、化学、军事、地球科学、天文学、医学、生物学、生态学、材料科学、冶金学、机械工程和地理学，在日常生活的大多数方面都有应用。[2][3][4][5][6][7][8][9]

物理学

在低温或者高温的情况下，物质的物理性质会发生变化，如物质的相（固态、液态、气态或等离子体）[2]、导电性[2]、流动性[2]等。

永久气体和永久液体

只要温度足够低，一切气体都将被液化，液化的温度随气体不同而异。因此早期获取低温的工作是与气体的液化密切相关的。到十八世纪末，人们已经实现了氨和二氧化碳气体的液化；十九世纪前中叶，通过法拉弟等人的工作，当时已知的气体中除了氢、氧、氮等六种气体外，全部都能够被液化，而液化这六种气体的一切努力均以失败告终，因此它们当时被称为“永久气体”。[2]

荷兰物理学家卡末林·昂尼斯在莱登建立起一个低温实验室，进行了卓有成效的研究，终于在1908年成功地使氨液化，从而消除了最后一种“永久气体”，得到了-269℃的低温。[2]

随着低温技术的发展，人们又尝试将气体固化，并获得了成功，但是，所有固化氦的努力又都以失败而告终。实验表明，只有给氦加上二十多个大气压，才能产生固态的氦，而在常压下，即使在绝对零度附近，氦也不会固化。于是，氦又获得了“永久液体”的称号。[2]

超导

1908年，卡末林·昂尼斯液化了最后一种永久气体氦之后，继续从事低温物理的研究，三年后，他做了这样一个实验：将水银冷却到零下40℃以下，使它凝固成一条线，然后继续冷却到零下269℃附近（4.2K）时，在水银线上通过几毫安的电流，并测量它两端的电压。这时发现，当温度稍低于4.2K时，水银的电阻突然消失了。这种奇异的现象，引起了人们极大的兴趣，人们把这种电阻突然消失的零电阻现象，称为超导电现象；把具有超导电性质的物质，称为超导体，把物质所处的零电阻的状态称为超导态，而将电阻突然变为零时的温度，称为临界温度，通常以Tc表示。[2]

由于超导体的奇异性质，它在科学技术和工业上有着广泛的应用前景。[2]

在远距离输电方面，使用超导材料可以没有电阻损耗（通常铜线的损耗为5-15%），因此同样的燃料可以给出更多的有效功率，而且不必采用高压输电。[2]

在运输方面，可制作不与钢轨接触的磁悬浮列车，即利用超导电流产生的永恒磁场可以将机车悬浮于轨道之上高速行驶，时速可达五百公里以上。[2]

磁悬浮列车
磁悬浮列车

超流

氦在4.2K时液化，在4.2K到2.17K之间，液氦象通常一样，遵循着普通流体的规则。但当温度低到2.17K以下时，它却变成了一种非常奇异的流体：如果你“拿”着一杯液态氦，不去理会，液氦会自动地在杯底外端集结，一滴一滴地跌落，同时杯内的液面逐渐降低，像是杯底有个漏洞，在让液氦漏出去一样。用更严谨的方式来叙述，液氦不是由杯底“漏出”，而是以薄膜的形式沿着杯壁自己爬出容器的。与此现象相仿，盛在容器中的液氦，还能自如地流过半径小于10-5厘米的小洞。这种现象是前苏联物理学家卡皮查在1937年发现的，被称为“超流现象”。[2]

处于超流状态的氦还有一个奇异现象：如果给液氦中的某一局部加一个“热脉冲”，即使局部产生一个温度的迅速变化，那么温度就会象声波一样在液体里传播。[2]

等离子态

随着温度的升高，物态将按固态—液态—气态的顺序发生变化，而温度愈高，表明物质分子的热运动愈剧烈，平均动能愈高，开始彼此分离，分子受热时分裂为原子的过程称为“离解”。[4]

如果在离解的基础上再进一步升高温度，原子的外层电子就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子则变成带正电荷的离子，这个过程称为“电离”。当气体中足够多的原子被电离后，这种电离的气体已不是原来的气体了，而转化成为新的聚集态——等离子态。[4]

等离子体在性质上与普通气体有很大的差别。如普通气体中的粒子主要进行杂乱无章的热运动，而在等离子体内，除了热运动之外，还能够产生等离子体振荡。特别是在有外磁场存在的情况下，等离子体的运动将受到磁场的影响和支配，这是等离子体与普通气体的主要区别。但是，从另一方面来看，由于等离子在宏观上呈电中性，同时它又是气体，故一般的气体定律及许多关系仍然适用于等离子体。[4]

人为地创造条件而产生的等离子体，如夜间霓虹灯的鲜艳色彩，就是氖nǎi和氩yà的等离子体产生的。另外，在日光灯、火焰和氢弹爆炸中均存在着等离子体。[4]

等离子光谱
等离子光谱

与地球上的情况完全相反，现在已经知道，在宇宙中约有百分之九十九点九以上的物质都处于等离子体态。在恒星内部，电离由高温而产生；在稀薄的星云和星际气体内，电离则由恒星的紫外辐射而引起；就连地球大气上层被太阳的辐射电离而形成的电离层，也是由等离子体组成的。因此，就整个宇宙来说，等离子体是宇宙中物质存在的普遍形式。[4]

等离子球
等离子球

热核反应

因此，要从核聚变中获取能量，只有采用人工的方式将聚变材料加热到极高的温度。因为温度是粒子平均动能的量度，在极高温度下，氘dāo核和氚chuān核所对应的动能才能克服静电斥力而实现聚变。计算表明，当温度达到一两亿摄氏度时，氘、氚就具有了为实现大量聚变所需的动能。[4]

1991年11月9日，欧洲联合核聚变环形试验装置里已实现了人类首次受控核聚变，产生出了1.8兆瓦电力的聚变功率，持续时间是2秒，温度达到3亿摄氏度，这比太阳内部的温度还要高20倍。可以想见，人类利用受控核聚变的日子已不再遥远。[4]

国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，TER）
国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，TER）

医学

在医学上，超导核磁共振层析仪（俗称CT）已经能给出人体任一部位的剖面图，其分辨本领与清晰程度远远超过X射线或超声仪器，在医学诊断上有很高的价值。[2]

超导核磁共振层析仪
超导核磁共振层析仪

材料科学

仅就超导薄膜材料而言，就有着广阔的应用前景。由于超导薄膜没有电阻，用它制成的天线、谐振器、滤波器、延迟线等微波通讯器件则有着常规材料（金，银等）不可比拟的高灵敏度。未来将要诞生的超导计算机可以在无阻不发热情况下高效运行，其运算速度可达到每秒几十亿次。[2]

此外，在电子技术上，可用超导材料制成性能优越的冷子管；在电工技术上，可利用超导体的特性制成大动率的超导发电机，并可制作能使热能不经过机械转换直接变成电能的磁流体发电装置；利用超导体的完全抗磁性还可制作超导无摩擦轴承；以及利用超导体内可载有巨大的电流而无损失的特性制做超导储能器等等。[2]

磁流体发电装置
磁流体发电装置

化学

温度影响化学反应发生的速率和程度。温度变化时，主要改变了平衡常数，从而导致了平衡的移动。升高温度，平衡沿吸热反应的方向移动；降低温度，平衡沿放热反应的方向移动。[3]

天文学

宇宙中已知最冷的自然场所是回旋镖星云，它位于半人马座，距离地球约5000光年。根据欧洲航天局的数据，其平均温度为-272摄氏度（约1开尔文）。[5]

回旋镖星云
回旋镖星云

地球科学

地核是一个位于地球中心的旋转热金属球，其半径约为地球半径的一半。它由两部分组成：一个半径为1221公里的固体内核，周围是一个从中心延伸至3480公里的液体外壳。人们普遍认为，地核主要由铁或镍含量高达5-10%的铁形成。众所周知，核心必须含有相当一部分轻杂质，在固体中为2-3%，在液体中为6-7%。地球内核边界的温度约为5700 K。[8]

生物学

水是机体内含量最多的物质，它是维持生命最重要的物质之一，在人和动物体内参与运输、排泄、交换、调节体温及各种生物化学反应过程。[102][103]水在1 atm（101 kPa），温度在0℃以下为固体，0℃为水的冰点。从0~100℃之间为液体，100℃以上为气体，100℃为水的沸点。[9]三相点的压力p=0.61 kPa，温度T=0.00989℃（即273.16 K）。[9]

军事

氢弹是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘、氚等质量较轻的原子核发生核聚变反应（也叫热核反应）原理制成的武器，也叫聚变弹、热核弹、热核武器，氢弹的威力要比原子弹大得多，通常可以达到几千万吨级TNT当量，特别是氢弹爆炸时产生的温度可以达到3.5亿度，相比之下，太阳中心温也只有约1500万度。[104]　

而中子弹实际上是一种小型氢弹，只不过这种小型氢弹中裂变的成分非常小，而聚变的成分非常大，因而冲击波和核辐射的效应很弱，但中子流极强，所以只会对人员产生巨大的杀伤作用，对建筑物和设施的破坏很小，也不会带来长期放射性污染。简单来说，当原子弹或者氢弹攻击一个坦克集群时，就是将整个坦克集群连人带坦克全部都毁灭了，使用中子弹攻击的话，人员将会被杀死，而所有的坦克却完好无损。[104]

地理学

气候，特定位置在很长一段时间内的大气状况；它是大气要素（及其变化）的长期总和，在短时间内构成天气。这些元素其中之一就是温度。[105]

生态学

生物在一定的温度范围内运作。温度在很大程度上取决于太阳辐射的入射。温度的横向和纵向空间变化极大地影响了气候，从而影响了全球不同生态系统或生物群落中生物多样性的分布和初级生产水平。且温度与代谢活动密切相关。[106][107]

机械工程

机械工程的核心领域，包括力学、动力学、热力学、材料科学、设计、结构分析和电力。其中，热力学与温度密切相关。[108]

冶金

冶金工业中，某些金属合金表现出独特的性能，其尺寸和密度在一定温度范围内保持不变。[109]

温度范例

开尔文温度级数开尔文摄氏度发生条件00 K−273.15 °C0 K，绝对零度，自由体静止，在热力学系统内或外都没有相互作用[10]10−1238 pK−273.149999999962 °C是有史以来产生的最低温度，通过铷rú玻色-爱因斯坦凝聚体的物质波透镜实现[110]100 pK−273.149999999900 °C通过冷却铑lǎo金属的核自旋实现[111]11 K−272.15 °C回旋镖星云，已知最冷的自然环境[5]2.725 K−270.425 °C宇宙微波背景[112]102273.15 K0°C结合水的熔点[9]273.16 K0.01°C维也纳标准平均海水（VSMOW）的三相点[113][114]373.15 K100°C结合水的沸点[9]1033695 K3422°C钨的熔点（即钨丝灯泡的温度）[6]3773 K3500 °C炔氧焰[7]5000 K4727 °C12 GPa的金刚石熔点[115]5700 K5427 °C地球内核边界[8]5778 K5505 °C太阳表面[116]10428 kK28000 °C闪电[117]10615.7 MK16×107 °C太阳核心[118]350MK3.5亿°C热核武器[104]1092 GK2×109 °C桑迪亚国家实验室Z machine[119]2.7 GK2.7×109 °C大质量恒星最后一天的核心[120]350 GK3.5×1011 °C融合中的双中子星系统（基于一个计算机模型）[121]10121 TK1×1012 °C相对论重离子对撞机[122]10 TK1×1013 °CCERN质子-核碰撞[123]1032142 QK（1.42×1032 K）1.42×1032 °C宇宙在大爆炸之后5.391x10-44 s的温度（普朗克温度）[124]

重离子对撞机
重离子对撞机
Z machine
Z machine

参考资料 124

  1. temperature — britannica
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 物理学家打破了在实验室里创下的最低温度记录 — 中国数字科技馆
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. Guillaume Amontons — britannica
  23. H.L. Callendar — britannica
  24. "Technical Annex for the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90)" — bipm
  25. Historical perspective: Unit of thermodynamic temperature, kelvin — bipm
  26. Liaison — bipm
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  37. 参考 37
  38. 参考 38
  39. 参考 39
  40. 参考 40
  41. 参考 41
  42. Access Denied — arxiv
  43. Stochastic theory of nonequilibrium steady states and its applications. Part I — sciencedirect
  44. 参考 44
  45. 参考 45
  46. 参考 46
  47. 参考 47
  48. 参考 48
  49. 参考 49
  50. 参考 50
  51. 参考 51
  52. 参考 52
  53. 参考 53
  54. "Archived copy" — tnt.phys.uniroma1.it
  55. 参考 55
  56. 参考 56
  57. 参考 57
  58. 参考 58
  59. 参考 59
  60. 39 The Kinetic Theory of Gases — feynmanlectures.caltech.edu
  61. molar gas constant — physics.nist.gov
  62. Kinetic Theory of Gases: A Brief Review — galileo.phys.virginia.edu
  63. 参考 63
  64. 参考 64
  65. 参考 65
  66. 参考 66
  67. 参考 67
  68. 参考 68
  69. 参考 69
  70. 参考 70
  71. 参考 71
  72. 参考 72
  73. 参考 73
  74. heat capacity — britannica
  75. 参考 75
  76. 参考 76
  77. 参考 77
  78. Quantum gas goes below absolute zero — nature
  79. 参考 79
  80. 参考 80
  81. 参考 81
  82. "Rankine" — merriam-webster
  83. 参考 83
  84. "Warning sign? NASA never finished a fueling test before today's SLS launch attempt" — arstechnica
  85. 参考 85
  86. 参考 86
  87. 参考 87
  88. 参考 88
  89. "Ole Christensen Roemer". — micro.magnet.fsu.edu
  90. 参考 90
  91. 参考 91
  92. "Newton's temperature scale and the law of cooling" — td.mw.tum.de
  93. 参考 93
  94. "Thermocouple temperature sensors" — temperatures
  95. "What is a Thermistor? How do thermistors work?" — ei-sensor
  96. 参考 96
  97. 参考 97
  98. 参考 98
  99. "Infrared thermometers explained" — firecraftsafety
  100. 术语在线
  101. "American Meteorological Society" — glossary.ametsoc.org
  102. 参考 102
  103. 参考 103
  104. 朝鲜核弹威胁谁的安全 — 网易军事
  105. climate — britannica
  106. 参考 106
  107. 参考 107
  108. "mechanical engineering" — dictionary.reference.com
  109. 参考 109
  110. 参考 110
  111. World record in low temperatures — ltl.tkk.fi
  112. 参考 112
  113. . "Clarification of the definition of the kelvin, unit of thermodynamic temperature" — bipm
  114. "94th Meeting of the Comité International des Poids et Mesures" — bipm
  115. 参考 115
  116. 参考 116
  117. 一次雷暴能产生多大能量?又会造成哪些伤害? — 科普中国网
  118. "NASA/Marshall Solar Physics" — NASA
  119. Sandia's Z machine exceeds two billion degrees Kelvin — eurekalert
  120. Lecture 19: The Death of High-Mass Stars — opencourse
  121. Torus Formation in Neutron Star Mergers and Well-Localized Short Gamma-Ray Bursts — arxiv.org
  122. Relativistic Heavy Ion Collider — bnl
  123. How do physicists study particles? — public.web.cern.ch
  124. "2018 CODATA Value: Planck temperature" — physics.nist.gov
广告位：底部（ad-bottom）—— 请到中台「公共区块」编辑此内容