温度定义

温度是一种物理量，以数字形式表达冷热的概念。温度用温度计测量。 温度计使用许多温度刻度进行校准，这些刻度历史上定义了各种参考点和测温物质。 最广泛使用的刻度是开尔文刻度 (K)，主要用于科学目的，以及华氏刻度 (°F) 和摄氏刻度 (°C)，以前称为百分度，单位符号为 °C。在国际单位制中，开尔文是七个基本单位之一 (SI)。

热力学温标上的最低点是绝对零度，即零开尔文，或 -273.15 °C。 根据热力学第三定律，它可以非常接近实验，但永远无法真正达到。在该温度下，不可能从物体中产生热量。

自然科学的所有领域，包括物理学、化学、地球科学、天文学、生物学、生态学、材料科学、冶金学、机械工程、地理学以及日常生活的方方面面，都依赖于温度。这些领域包括医学、生物学、生态学和大多数其他科学分支。

影响

人体体温平均每天都在变化。 以下是一些与温度相关的物理过程：

• 材料的物理特性，例如其相（固态、液态、气态或等离子体）、密度、溶解度、蒸气压、电导率、硬度、耐磨性、热导率、耐腐蚀性和强度
• 化学物质的变化以及变化的快慢和程度
• 物体表面发射的热辐射，包括其强度和组成。
• 所有生物都受到空气温度的影响。
• 绝对温度的平方和声速，在气体中成正比。

刻度

温度刻度的定义需要选择零度点和温度增量单位的大小。 摄氏刻度 (°C) 用于世界上大多数地区的常见温度测量。 它是一种经验刻度，历史发展导致其零点 0 °C 被定义为水的冰点，100 °C 被定义为水的沸点，两者都在海平面的大气压下。由于 100 度的间隔，它被称为百分度刻度。

自从国际单位制中开尔文标准化以来，它随后根据开尔文刻度上等效的固定点重新定义，因此摄氏一度的温度增量与一开尔文的增量相同，尽管数值上刻度相差精确的 273.15 的偏移量。在美国，人们经常使用华氏刻度。 在海平面大气压下，水在 32 °F 结冰，在 212 °F 沸腾。

• 绝对零度

在绝对零度下，无法从物质中以热量的形式移除能量，这是热力学第三定律所表达的事实。 在此温度下，物质不包含宏观热能，但仍具有量子力学零点能，正如不确定性原理所预测的那样，尽管这不属于绝对温度的定义。

实验上，绝对零度只能在非常接近后才能达到（实验达到的最低温度是 100 pK）。理论上，物体在绝对零度温度下粒子的所有经典运动都已停止，并且它们在经典意义上完全静止。 绝对零度的确切值，用符号 0 K 表示，为 -273.15 °C，或 -459.67 °F。

• 绝对刻度

参照玻尔兹曼常数、麦克斯韦-玻尔兹曼分布以及玻尔兹曼对独立运动微观粒子的熵的统计力学定义（与吉布斯定义不同），忽略粒子间势能，根据国际协议，定义了一个温度刻度并称其为绝对刻度，因为它独立于特定测温物质和温度计机制的特性。

除了绝对零度之外，它没有参考温度。它被称为开尔文刻度，在科学技术中广泛使用。 开尔文（单位名称以小写“k”拼写）是国际单位制 (SI) 中的温度单位。处于热力学平衡状态的物体的温度相对于绝对零度始终是正的。

除了广为接受的开尔文刻度之外，开尔文勋爵还创建了一个热力学温标，其数值零点位于绝对零度。 这个热力学温标与纯粹的宏观热力学概念（例如宏观熵）直接相关，尽管其微观等效是正则系综的吉布斯熵统计力学定义，该定义也考虑了粒子间势能。该刻度在水三相点的参考温度的数值由使用上述全球接受的开尔文刻度进行的测量确定。

• 开尔文刻度

许多科学测量都使用开尔文温标（单位符号：K），以首次定义它的物理学家命名。它是一个绝对刻度。它的数值零点，0 K，位于绝对零度。自 2019 年 5 月以来，开尔文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，开尔文的大小由玻尔兹曼常数定义，其值由国际惯例规定为固定值。

刻度分类

存在不同类型的温标。将它们分为经验和理论基础类别可能很有用。从历史上看，经验温标早于理论基础温标，后者首次出现在十九世纪中叶。

• 经验刻度

基于经验的温标以测量材料的基本宏观物理特性为基础。 例如，非常有用的玻璃水银温度计是建立在水银柱的长度（限制在玻璃毛细管中）受温度影响很大的事实之上的。这些刻度仅适用于实际温度范围。例如，玻璃水银温度计在水银沸点以上是无用的。

大多数材料会随着温度升高而膨胀，但有些材料（如水）在狭窄的温度范围内实际上会随着温度升高而收缩，这使得它们几乎无法用作测温材料。当物质接近其相变温度之一（如沸点）时，它作为温度计是无用的。

尽管存在这些缺点，但基于经验的温度计是使用最广泛的实用温度计。它主要用于量热法，为理解热力学做出了重大贡献。然而，当被视为理论物理学的基础时，经验测温法存在明显的缺点。

基于经验的温度计可以通过使用理论物理推理进行重新校准，这可以将其适用范围扩展到其作为测温材料典型物理特性直接测量的基本功能之外。

• 理论刻度

理论依据，特别是动力学理论和热力学，是基于理论的温标的基础。它们在物理上可用的材料和设备中本质上是理想化的。实际基于经验的温度计使用基于理论的温标进行校准。

• 微观层面的统计力学刻度

开尔文刻度是物理学中公认的传统温标的名称。 它使用玻尔兹曼常数进行校准，玻尔兹曼常数指的是构成待测量温度的物体的微观粒子（如原子、分子和电子）的运动。当前的开尔文温度不是通过与标准物体的参考状态温度或宏观热力学来确定的，这与开尔文开发的热力学温标不同。

物体的开尔文温度，独立于其绝对零度温度，是通过测量其适当的物理特性子集来确定的，例如那些在玻尔兹曼常数方面具有充分建立的理论依据的特性。该常数暗示了物体结构中特定类型的微观粒子运动。

在这些类型的运动中，粒子彼此独立运动。尽管粒子间碰撞经常阻止此类运动，但选择这些运动进行温度测量是为了使其轨迹的非相互作用部分在碰撞间隔之间已知能够进行精确测量。为此目的，粒子间势能被忽略。

开尔文温度被定义为与非相互作用的微观粒子的平均动能成正比，并且可以使用正确的方法在理想气体和其他理论上理解的物体中测量。玻尔兹曼常数是比例常数的简单倍数。 当分子、原子或电子从物质中释放出来并测量其速度时，其速度谱通常几乎完全遵循称为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的理论定律，从而提供了该定律有效温度的可靠测量。

然而，也许未来有可能进行这种成功的实验，直接使用费米-狄拉克分布进行测温。 理论上，可以根据气体的分子组成、温度、压力和玻尔兹曼常数的值来确定气体中的声速。这给出了具有已知分子组成和压力的气体的温度和玻尔兹曼常数之间的关系。 描述水在其三相点状态的热力学参数无法以与这些量相同的精度已知或测量。

因此，当使用玻尔兹曼常数作为精确定义值的基本参考时，声速测量可以提供更准确的气体温度测量。 由于维恩位移定律，在普朗克定律和玻色-爱因斯坦定律中有理论依据，该定律指出黑体辐射的最大光谱辐射频率与黑体的温度成正比，因此测量理想三维黑体的电磁辐射光谱可以提供准确的温度测量。

通过测量电阻器噪声的功率谱也可以实现准确的温度测量。电阻器本质上是一个带有两个端子的一维物体。在这种情况下，根据玻色-爱因斯坦定律，噪声功率与电阻器的温度、电阻值和噪声带宽成反比。约翰逊噪声是指在给定频带中，所有频率贡献相等的噪声功率。如果电阻值已知，则可以确定温度。

• 宏观热力学刻度

直到 2019 年 5 月，开尔文刻度都是根据开尔文的发明在历史上定义的，该发明完全基于宏观热力学和完美卡诺发动机过程中能量量的比率。 卡诺发动机将在两个温度之间运行：待测量物体的温度和参考温度——水三相点处物体的温度。

三相点被选为参考温度，其精确值确定为 273.16 K。 自 2019 年 5 月以来，该值不再由定义固定，而必须通过上述与玻尔兹曼常数相关的微观现象来确定。未指定微观统计力学定义的参考温度。

理想气体

理想气体是一种可以作为宏观定义的温标的基础的物质。 固定体积和质量的理想气体将施加与其温度成正比的压力。一些天然气在合适的温度下表现出非常接近理想的特性，因此它们可以用于测温。这对于热力学的发展至关重要，并且在当今世界仍然具有现实意义。然而，理想气体温度计存在一些理论缺陷。

这是因为理想气体违反了热力学第三定律，因为其在绝对零度温度下的熵不是正半定值。与真实材料不同，理想气体无论多冷都不会液化或固化。或者换句话说，理想气体定律指的是无限高温和零压力的极限；这些条件保证了组成分子之间的非相互作用运动。