A. 怎麼測溫度
什麼是溫度?
維基網路的定義是: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。
把這句話拆成前半句和後半句分開解釋好了。
—————————————————熱力學的分割線—————————————————
前半句很好理解,一個東西,用手摸過去,溫度高的熱,溫度低的冷。很直觀。但是你可能會進一步問,為什麼會感覺冷,為什麼會感覺熱?
具體的人體對溫度的感知,我記得知乎貌似有其它問題,解釋的挺好。簡單來說,所謂冷的東西,就是會從人體吸收熱量的狀態;熱的東西,則是會將熱量傳遞給人體。
看起來還是很直接很廢話是不是,但為了解釋這么一句話,其實需要好幾個熱力學的理論:
1.什麼是熱量?
2.熱量在什麼情況下會傳導?
先討論第二個問題。這里就要祭出大名鼎鼎的熱力學第二定律:
維基網路 熱力學第二定律 開爾文表示(熱力學每一條定律都有好多等價的表達,感興趣的可以去看網路):不可能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體而不產生其他影響。
等等,怎麼又回到對溫度的定義上來了……
熱力學第二定律所描述的,是一種熱力學上的不可逆過程(即熵增大原理)。我們把這句話換個肯定的表達方式:在沒有其他影響的情況下(其它影響的典型例子:空調),熱量只能從高溫物體傳導到低溫物體。
問題2解決~雖然現在的邏輯是這樣的:
你感覺到物體比你的手熱==熱量從物體傳導到了你手上==物體比你的手熱。
╮(╯_╰)╭
遺憾的是,從熱力學的角度,熱力學第二定律是經驗定律,無法解釋和證明。
好在我們有統計力學。
對於第二個問題的討論先放一放。我們來看看第一個問題:什麼是熱量?
維基網路 Heat (中文的已經不能看了……):熱量是不同於做功或是物質轉移之外的,一種能量的轉移。
深入的討論的話,這里又有一堆細節可以說了。
能量是什麼?物體對外做功的能力。比如我們說一個人有正能量,就是說他能對外做很多功(大誤)。
能量要如何轉移呢?這句話說的很清楚。1)做功。我打你一拳,我就給了你一大坨能量;2)物質轉移。你吃了一斤肉,除了長胖之外也獲得了大量的能量(嚴格來說,這里不能考慮消化吸收的過程,不過暫時就不討論這個了);3)熱量。你玩了一個晚上的小米,獲得了大量的熱量。
需要注意的一點是:熱量是能量的【轉移】,它是一個過程量,不是一個狀態量。什麼意思呢?請跟我做下面幾個判斷正誤:
A. 某物質溫度高,所以它的能量高。
B. 某物質溫度高,所以它的熱量高。
C. 某物質溫度高,所以它與低溫物體接觸時,傳輸的能量高。
D. 某物質溫度高,所以它與低溫物體接觸時,傳輸的熱量高。
在不咬文嚼字的前提下,四句話裡面,唯一錯誤的是B。
不是狀態量的意思就是,」一個物體的熱量「這種說法是不存在的。這也是日常口語中很容易犯的一個錯誤。
但是,我們可以說物體得到了多少熱量,溫度變化了多少。
Q=CvT. 熱量=熱容x溫度變化。
親愛的小朋友們,你們記住了嗎?
—————————————————動力學的分割線—————————————————
接下來說說微觀的定義:物體分子熱運動的劇烈程度。
熱運動是什麼?
簡而言之,圍觀尺度上的,無規則的運動。
比如一滴墨水在清水裡面的擴散,在不考慮重力的情況下,就是一種熱運動的表現形式。而溫度越高,擴散的越快,也就是熱運動越劇烈(為了理解溫度的定義,請把這句話的推導倒過來);
而溪水的流動,空氣的流動(也就是風),則不屬於這一類。
為什麼會熱運動?
因為分子有能量。一般來說,能量就分兩種,一種是勢能,一種是動能。
勢能,諸如重力勢能mgh,跟所在的場是有關系的,脫離了場(比如太空中)就可以不予考慮。
(順便說一句,勢能的零點是不好確定的,比如你在遙遠的太空的重力勢能究竟應該是0呢,還是mgh從0積分到無窮呢。)
動能,1/2mv^2,也都耳熟能詳是不是。
好了,接下來是動力學,或者說統計力學入門(憑回憶手打,可能有誤):
我們說,分子都是有動能的。
分子有沒有可能沒有動能呢?有可能。溫度越低,動能越小。這個極限,就在絕對零度。
所以你可以理解為什麼有-273.15℃這個數字存在了。實驗和理論都給出了這個數字。在這個溫度下,分子的熱運動停止了,動能為0。絕對零度的完美晶體,熵亦為0.
(要不要解釋一下熵……算了關系不大,先留個位子好了。)
分子的動能不可能為負值,也就是說,不可能實現比絕對零度更低的溫度了。
而絕對零度本身也是不可能實現的。這就是熱力學第三定律的內容了。
(繼續留下一個坑。)
接下來一個問題:要如何描述分子的動能?換句話說,微觀上的動能,要如何與宏觀上的物理量聯系起來?
這里,便引入了溫度的概念。
很直觀的想法,我用溫度表示動能,乘以一個系數表示正比關系,不就可以了?
先不考慮和前面熱力學部分的銜接問題。假設分子擁有E=1/2mv^2的動能,不妨就認為……
我知道手打的你們看不清……這是維基網路上面的公式。
k就是大名鼎鼎的玻爾茲曼常數。(記錯了不要怪我)
關於這個公式的兩點說明,不想深究的可以不看:
1.有人可能看到了v的下標,這里就有一個自由度的問題:一個分子,我的平動動能很好理解,就是一般我們理解的1/2mv^2。問題是,考不考慮轉動呢?轉動也是有能量的啊?乃至還有其它的運動形式?
這個問題的解決就是引入自由度的概念。三維空間的速度,可以分解為x,y,z三個方向上的向量,也就是三個方向上的動能。這每一個方向,便是一個自由度。再考慮旋轉呢?復雜分子還有可能有很多個軸呢?沒關系,每一個當成一個自由度就好了,每一個都是一個1/2kT。最後加一起,就是總的動能。反正你也只關心溫度是不是。
還有一點,低溫情況下,有的自由度可能不納入計算。你可以理解為……溫度太低凍的動不了。這個結果就是低溫情況下用3/2kT,溫度高了可能就是5/2,7/2,等等了。
2.這個公式可以推導出更加大名鼎鼎的pV=nRT。理想氣體常數R正是玻爾茲曼常數k乘以一個阿伏伽德羅常數N。(微觀到宏觀)
———————————————熱力學與動力學統一的分割線———————————————
現在的問題是,說了一堆圍觀的動力學,也定義了溫度的概念,然而這些分子的熱運動,和我們日常見到的冷熱究竟是如何聯系起來的?
前面的討論已經說過了,分子的溫度和熱運動的動能有個很簡單的正比關系。那麼很自然的,把熱力學第二定律用在這里,我們能得出結論:動能大的分子和動能小的分子相遇時,會發生動能的轉移,也就是宏觀上觀測到的熱量,從而導致了溫度的變化。圍觀層面上,這一點也很好理解:
能量高的分子與能量低的分子相遇,在無數次彈性碰撞中,發生了能量的交換,最終實現了能量的平均分布,也就是相同的溫度。(應該是有具體的計算證明的,不過找了許久沒找到,以後發現了再加上。)
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記得知乎上有過這個問題:如果說溫度的實質是分子的不規則運動,那麼我們的皮膚是如何感知溫度的? - 生活
為了方便我就順便總結一下好了:
1.人體皮膚下面有三種溫度感受器:冷感受器、溫熱感受器和痛感受器——分別感受冷熱和極端溫度,並將其傳輸給大腦;
2.這些感受器由神經細胞組成,修飾以專門用途的蛋白質;
3.這些蛋白質包含有特定的離子通道。在特定溫度下,離子通道會被打開,使得離子得以通過。這些通過的離子便通過其特定的化學反應或是電勢來傳輸溫度的信息;
到這一步就已經是微觀的尺度了。為什麼溫度能改變蛋白質的形態?(感覺是廢話……但還是寫一點好了)
形態的變化,本質上不是因為溫度,而是因為溫度差帶來的熱傳導,從而導致能量上的變化。能量不僅僅被用作熱運動,還可以用來發生其它的反應,諸如晶體的融化,諸如蛋白質的變形。
B. 怎麼看體溫計的水銀柱 水銀溫度計的使用方法
看體溫計的水銀柱的方法: 手持位置:用手拿住水銀體溫計的尾部,遠離水銀柱的一端。 觀察角度:將體溫計與眼睛保持同一水平。 轉動體溫計:用手慢慢轉動體溫計,直至從正面看到很粗的水銀柱,即中間那條很深的線。 讀取數值:紅線處對應的溫度值即為體溫。注意讀數時不要用手觸碰到水銀端,以免影響測量結果。
水銀溫度計的使用方法:
測量口溫: 甩表:使用前先將體溫計度數甩到35℃以下。 放置位置:將體溫計放在舌下,嘴裡含住,不要咬也不要說話。 測量時間:測量時間最少為3~5分鍾,7分鍾時長最佳。 讀數與處理:取出體溫計,讀取正確數據後用衛生紙擦拭乾凈,再用酒精棉片消毒。嬰幼兒、呼吸困難、意識不清、有痙攣病史及無法開口合作者切勿使用口溫測量。
測量腋溫: 甩表:使用前先將體溫計度數甩到35℃以下。 准備工作:測量前不要洗澡,把腋下的汗液擦拭乾凈。 放置位置:把溫度計的水銀端夾在腋窩中間,注意不要把溫度計表頭伸到外面。 測量時間:測量時間最好是5~10分鍾。若時間未到就拿出來或者移動時不小心弄掉了的,需要重新測量,時間也要重新計算。 讀數與處理:取出體溫計,讀取正確數據後用衛生紙擦拭乾凈。