
文章插圖
出品:科普中國(guó)
制作:慕云深
監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
我國(guó)的EAST人造太陽(yáng)不久前實(shí)現(xiàn)了將1.5億攝氏度高溫等離子體維持101秒的記錄,標(biāo)志著我們走向可控核聚變的重要一步 。可控核聚變的原理,本質(zhì)上就是把兩顆氫原子核捏成一顆氦原子核 。為此,必須用高達(dá)數(shù)億度的溫度將其“捏”在一起 。
那么問題來了:這么高的溫度,我們是如何測(cè)量的呢?會(huì)有一個(gè)能測(cè)出這么高溫度的溫度計(jì)嗎?
什么是溫度?
質(zhì)量描述的是物體有多少物質(zhì),長(zhǎng)度描述的是物體占據(jù)一維空間的大小,那么溫度(temperature)到底是什么呢?我們可以直觀地感受到物質(zhì)的冷熱,但對(duì)溫度的本質(zhì)卻并不了解 。
雖然人們不知道溫度到底是什么,但科學(xué)家很早就知道物體的熱脹冷縮現(xiàn)象 。利用這一點(diǎn),人們很早就發(fā)明了溫度計(jì),利用液體的不同體積和其溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,來測(cè)量溫度 。
人體表面溫度的分布 。圖片來源:百度百科
為了描述溫度的高低,人們發(fā)明了不同的溫標(biāo) 。例如攝氏溫標(biāo)(°C)規(guī)定,水的凝固點(diǎn)是0°C,沸點(diǎn)是100°C,將其中的溫度差平均分為100份,每份就是1°C 。
而華氏溫標(biāo)(°F)規(guī)定,水的凝固點(diǎn)是32°F,沸點(diǎn)是212°F,其中的溫度差平均分為180份,每份就是1°F 。
攝氏度與華氏度 圖片來源:http://www.vimsky.com
直到近代,物理學(xué)家才了解到物質(zhì)都是由小微粒組成的,而且這些小微粒都在不停地做著無規(guī)則的運(yùn)動(dòng) 。人們發(fā)現(xiàn),越熱的物體,其中的小微粒的運(yùn)動(dòng)也越快,而越冷的物體,其中的小微粒的運(yùn)動(dòng)就越慢 。(其實(shí)準(zhǔn)確地說,熱的物體其單獨(dú)的某一分子運(yùn)動(dòng)并非一定比冷的物體快,只是整體平均來看,熱的物體所有分子的“平均速度”比冷物體的分子平均速度快) 。
此時(shí)我們才真正理解溫度的本質(zhì):溫度是構(gòu)成物體的微粒的平均運(yùn)動(dòng)速度的量度 。
溫度升高,微粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)加快 圖片來源:https://study.com/
(按定義來說,溫度是構(gòu)成物體的微粒的“平均動(dòng)能”的量度,溫度正比于這一平均動(dòng)能,而動(dòng)能正比于運(yùn)動(dòng)速度的平方 。為了方便理解,此處簡(jiǎn)化為溫度與微粒的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān) 。)
于是,人們就找到了一個(gè)真正意義上的溫度的零點(diǎn),也就是當(dāng)微粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)完全停止的時(shí)候,此時(shí)的溫度就應(yīng)當(dāng)定義為零度 。這就是我們通常所說的“絕對(duì)零度”(absolute zero) 。
經(jīng)過理論計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),這一絕對(duì)零度的數(shù)值約為-273.15°C 。如果把攝氏溫標(biāo)中的零點(diǎn)位置向下挪動(dòng)273.15°C,這樣所有的溫度就都是正數(shù),這種溫標(biāo)也被稱為開爾文溫標(biāo)(K) 。
三種溫標(biāo)的比較 圖片來源:https://files.mtstatic.com/
曲線救國(guó):常見的測(cè)溫工具
在測(cè)量某個(gè)物理量的時(shí)候,我們有兩種不同的策略:測(cè)量這個(gè)量的本身,或者測(cè)量這個(gè)量所引起的其他效果 。
例如,我們要測(cè)量一個(gè)長(zhǎng)方體的體積,可以有兩種方法:測(cè)量其長(zhǎng)寬高,然后相乘得到體積,這就是直接測(cè)量體積本身 。另一種方法是,我們將這個(gè)長(zhǎng)方體浸入水中,測(cè)量排出的水的多少,來?yè)Q算成長(zhǎng)方體的體積 。這種方法實(shí)際上是在測(cè)量“體積所引起的排水效應(yīng)”,從而間接測(cè)量體積這個(gè)物理量 。
前面我們講過,溫度描述的是物體中的微粒運(yùn)動(dòng)的速度 。由于我們很難將微粒剝離出來并且逐個(gè)測(cè)量其速度,所以日常生活中我們使用的測(cè)溫裝置,往往都是在測(cè)量“溫度引起的其他效應(yīng)” 。
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