温度概念的提出过程与内涵

文摘   2024-12-10 09:22   山西  

温度概念的提出过程

温度概念的形成经历了漫长的历史过程。在古代,人们对冷热的感受仅停留在朴素的直觉经验阶段,通过身体去感受气温的冷或热,但这种方法不适用于所有情况,尤其是过高或过低的温度。


1593 年,意大利科学家伽利略发明了最早的温度计。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管,另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热,然后把玻璃管插入水中,随着温度的变化,玻璃管中的水面就会上下移动,根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。


后来,经过漫长的讨论与发展,目前我们常使用的温度单位就是摄氏度、华氏度、以及国际温度单位开尔文。摄氏温标是由瑞典的物理学家摄尔修斯所创立的,以 1 个标准大气压下水的结冰点为 0 摄氏度,水的沸点为 100 摄氏度,中间分成 100 等份。华氏温标是由荷兰的华伦海特创立,以特定浓度的盐水(包含冰、水、氯化钠、氯化铵)凝固时的温度规定为 0 华氏度,纯水凝固的温度定为 32 华氏度,把 1 个标准大气压下的水的沸腾温度定为 212 华氏度,中间分成 180 等份。


温度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。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。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,0K”。

注:‌普朗克温度是宇宙大爆炸瞬间的温度,约为1.416833(85)×10^32 K‌。这个温度值是通过量子力学和宇宙学理论推导出来的,代表了宇宙大爆炸瞬间的极高温度,也被称为普朗克上限。‌


古代温度感受方法的局限性

在古代,人们对温度的感受主要依靠人体器官的感知以及观察事物的外在表现。


比如通过 “天阶夜色凉如水”“春江水暖鸭先知” 这样的诗句可以看出,古人通过观看事物的外在表现来推断冷暖变化和环境温度的高低。人体感受的物体的冷热程度,一方面取决于被感受物体的温度,另一方面还与被感受物体单位时间内吸收或放出给人体的热量的多少有关。在此基础上,中国古代还形成了运用感官系统来精确度量物体温度的方法,如火候观看法和人体感受法。


然而,这些方法存在很大的局限性。火候观看法虽然依据火焰的颜色推断物体的温度具有一定的科学性,但仍会受到人的主观判断偏差影响,因为人的冷热感受会因距离热源远近不同而不同。


人体感受法更是不准确,每个人对温度的感受差异较大,而且如果碰巧医生也有轻微发热,或是刚刚摸了比较凉的物体,就会出现不准确的结果。例如,在医学上,了解病人热度的工具只有手时,就很难准确判断病人的体温。此外,古人以水的递次沸腾现象来判断水温,虽然有一定的参考价值,但也只能大致判断,无法精确测量温度。总的来说,古代温度感受方法缺乏科学性和准确性,无法满足人们对温度精确测量的需求。



伽利略发明最早温度计的过程

1593 年,意大利天文学家、物理学家和工程师伽利略发明了世界上第一支温度计。他的发明灵感来自于自己的学生。在一次课堂上,他问学生把不同温度的水装进瓶中会有什么现象发生,其中一位同学说像气球可以增大也可以缩小。学生的回答启发了伽利略,他想到从水的体积变化能测出水的温度变化。很快,他发明了第一支温度计,这是一个气体温度计,很简单,就是一根细长的玻璃管,一端开口,另一端是一鸡蛋大小的玻璃泡。使用时,先用手把玻璃泡捂热,然后让玻璃泡一端在上,把玻璃管竖直插入到水中。当外界空气上升或下降时,玻璃管中水柱就会下降或上升。如果在玻璃管上标识上刻度,便可以指示温度。不过由于这种温度计会到受到气泡内空气温度以及外界气压的影响,所以误差比较大。

常见温度单位的创立者

常用的温度单位摄氏度是由瑞典物理学家摄尔修斯创立的。1740 年,摄尔修斯提出在标准大气压下,把冰水混合物的温度定为 0 摄氏度,水的沸点规定为 100 度。根据水这两个固定温度点来对温度进行分度,两点间作 100 次等分,每段间隔称为 1 摄氏度,记作 1℃。华氏温标是德国人华伦海特于 1714 年创立的温标。他以水银作测温物质,确定冰的熔点为 32 度,沸点为 212 度,中间做 180 次等分,以℉表示。国际单位制中所采用的温度是热力学温度,它的单位名称是开尔文,是由英国科学家开尔文创立。1848 年开尔文创立绝对温标,即热力学温标。


温度概念的内涵

  • 宏观层面
    温度是表示物体冷热程度的物理量,它反映了物体内部分子热运动的剧烈程度。当两个物体相互接触时,热量会从温度高的物体流向温度低的物体,直到它们达到热平衡,此时两个物体的温度相等。温度的高低决定了热传递的方向和速率,是热学现象中一个非常重要的宏观参量。



  • 微观层面
    从微观角度来看,温度是物体内部分子或原子热运动的平均动能的体现。对于理想气体,分子的平均平动动能与温度成正比,即,其中为分子的平均平动动能,为玻尔兹曼常数,为热力学温度。这表明温度越高,分子的热运动越剧烈,平均动能越大;反之,温度越低,分子热运动越缓慢,平均动能越小。但需要注意的是,对于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,是没有温度意义的。

  • 状态函数属性
    温度是一个状态函数,它只取决于系统的当前状态,而与系统达到该状态的过程无关。当系统处于平衡态时,其温度具有确定的值。在热力学中,温度与其他状态函数如压强、体积等相互关联,共同描述系统的热力学状态,例如理想气体状态方程就体现了温度与压强、体积、物质的量之间的关系。
-作者介绍-
2020年博士毕业,现就职于一所地方高校,主讲《物理化学》课程。
专注→低成本功能材料开发,包括碳材料,疏水/亲水材料,纤维素提取利用,聚氨酯材料的开发与应用,欢迎合作,资助,交流。
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