温度

官官方物理老师·12 页·进阶（有基础，想深入原理）·0 次浏览·3 天前

✦ 温度物理温度

分子动理论相变热力学微观本质

温度

从分子动理论到相变临界点，看清温度如何决定物质状态

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分子动理论相变热力学微观本质

温度

从分子动理论到相变临界点，看清温度如何决定物质状态

1第 1 页 · 温度

正确使用温度计的方法

上页我们看到，温度是分子平均动能的宏观表现。但要把这个抽象概念变成数字，得靠温度计。怎么测才准？看似简单，背后却连着热平衡的原理。

液泡完全浸没

玻璃泡必须全部浸入被测介质，与待测物充分接触

等待示数稳定

等读数不再变化再读，反映温度计与被测物达到热平衡

视线与液面平齐

眼睛、液柱凹液面、刻度三点一线，避免视差

远离干扰源

不碰容器壁、不测刚加热或刚取出的物体，排除热源干扰

冷热水倒在一起变温水对应 →温度计与被测物的热平衡

两者最终温度趋于一致，温度计显示的是这个共同的平衡温度，而非物体原温

2第 2 页 · 正确使用温度计的方法

温度

前页我们学会了用温度计——但你摸铁栏杆觉得冰凉，摸木椅却觉得温热，两者却可能同处一室。读数背后，温度到底是什么？

微观本质

温度度量微观粒子热运动的平均剧烈程度，反映单个自由度的平均动能

热力学判据

零定律定义温度：两系统达到热平衡则温度相等，并决定自发传热方向

统计意义

统计力学中 1/T 等于熵对内能的变化率，刻画能级上的粒子数分布

班级平均分对应 →温度

温度像平均分反映整体水平，内能/热量像总分——还需乘以粒子数（学生数）

PV = nRT

3第 3 页 · 温度

温度计

上一页我们学会了温度计的正确用法——但你有没有想过：为什么甩一下水银会降回去？为什么红外额温枪不用碰人就能测温？这些都藏在温度计的工作原理里。

定义

把物体的冷热程度转成可读数值的仪器，本质是个转换器

接触式原理

测温介质与物体达热平衡，通过体积/电阻/电动势变化读数

非接触式原理

接收物体红外辐射，按黑体辐射定律反推温度，无需接触

常见类型

水银/酒精（热胀冷缩）、热电偶（塞贝克效应）、红外测温仪

翻译官对应 →温度计

物体只会「说」冷热，温度计把它翻译成人能读的刻度或数字

4第 4 页 · 温度计

液体的热胀冷缩

上一页我们讲了温度计怎么读数——细管里液柱的高低。但你有没有想过：为什么液柱会随温度升降而升降？这就要回到「液体的热胀冷缩」。

定义

液体受热时体积膨胀，受冷时体积收缩——是温度改变引起的体积响应

定量规律

体积变化近似与温度变化成正比，比例系数叫体膨胀系数 β

因液而异

不同液体 β 差异很大：水银约 1.8×10⁻⁴/℃，酒精约 1.1×10⁻³/℃

细管放大

玻璃管内径极细，微小体积变化被放大成显著的液柱高度变化

麦克风把声音放大对应 →细管把体积变化放大

麦克风把小声放大成可听信号；玻璃细管把微小体积变化放大成肉眼可见的液柱位移

V = V_0(1 + \beta \Delta T)

5第 5 页 · 液体的热胀冷缩

摄氏温度

上页我们知道液体会随温度热胀冷缩，温度计能指示高低了——但为什么偏偏是0度和100度？这两个端点是怎么定下来的？

定义基准

以纯水的冰点为0°C、沸点为100°C，两点之间线性等分100份，每份就是1°C

标准条件

需在标准大气压(101.325 kPa)下测定；高山上气压低，水沸点会低于100°C

对接绝对温标

0 K是分子热运动停止的理论下限，对应-273.15°C；摄氏与开氏仅差一个常数

典型应用

气象预报、烹饪控温、医学体温(约37°C)、工业冷链与反应釜温控

用尺子把绳子分100等份对应 →摄氏温标的刻度划分

起点0°C对冰点、终点100°C对沸点，每等份就是1°C；标尺怎么划，数值就怎么读

T(K) = t(°C) + 273.15

6第 6 页 · 摄氏温度

量程

你会量体温用体温计，烤箱测温也有专用温度计——为什么不能通用？因为每支温度计都有自己的「能力范围」。

量程的定义

温度计能测量的最低温度到最高温度之间的范围，就是它的量程

选温度计的关键

被测温度必须在量程内，超出会读数不准甚至损坏仪器

不同场景不同量程

体温计约 35~42℃，实验室常用 -10~110℃，炉温计可达 0~1300℃

体重秤对应 →温度计量程

体重秤只能称 0~150kg，超出就测不出甚至损坏；温度计也有自己的测量边界

\text{量程}=T_{\max}-T_{\min}

7第 7 页 · 量程

分度值

上页学了量程——这把温度计「能测多远」。但量程只答范围，没答精度。同样测0~100°C的两支温度计，一支每格1°C、一支每格0.1°C，差别有多大？这就要看「分度值」了。

定义

相邻两刻度线之间所代表的温度值，即每小格代表的量

如何确定

找两个相邻标号刻度（如0和10），数中间小格数，差值÷格数

与量程的关系

量程定「测多大量」，分度值定「读多精细」，二者共同描述仪器规格

估读规则

记录读数时须估读到分度值的下一位（人为规则，非仪器属性）

尺子的最小刻度对应 →温度计的分度值

最小刻度1mm的尺子精度就是1mm；温度计每小格代表1°C，就是它的分度值

8第 8 页 · 分度值

体温计工作原理

你是否注意过：体温计离开身体后读数还能保持，而普通温度计必须一直贴着被测物。这背后藏着几个精巧的物理设计——为什么管子要做得很细？为什么它能锁住读数？

体膨胀原理

液体温度升高时体积增大，ΔV 与 Δt 近似成正比

细管放大效应

感温泡的微小 ΔV 经极细毛细管放大为明显的长度变化

缩口防回流

泡与管间有极细缩口，冷却时液柱断开，示数不变

量程设计依据

35~42°C 对应人体正常与异常体温的生理范围

大杯子和细吸管对应 →毛细管放大效应

大杯水量稍变，细吸管里液面升降就很明显——同样的体积变化，细管给出更大的长度读数

\Delta L = \frac{\Delta V}{A}

9第 9 页 · 体温计工作原理

热电偶原理

液体温度计靠水银热胀冷缩测温，可水银到 357°C 就沸腾——炼钢炉、喷气发动机里动辄上千度，液体温度计根本进不去。怎么办？

塞贝克效应

两种不同金属接成回路，两端温度不同时会产生电动势，能推动电流

热电偶结构

两根不同金属丝，一端焊接作测温点，另一端接电压表读出温度

测温范围极宽

选用不同金属组合，可测 -200°C 到 2000°C 以上的高温

反应快且耐用

金属丝细，热惯性小，能跟上快速变化的温度，工业现场常用

水从高处跌落对应 →电子从热端流向冷端

水位差越大水势能越大，温差越大产生的电动势越大，都把势能转化为可用能量

V = \alpha \cdot \Delta T

10第 10 页 · 热电偶原理

本节要点

✓温度本质是分子热运动剧烈程度的宏观度量
✓温度计原理相通：靠物理量随温度的规律性变化
✓量程与分度值决定精度，选错比读错更危险
✓温标不同则参考点不同，读数务必标注单位
✓测量需等热平衡，读数时视线要垂直刻度面

延伸主题：热力学温标与绝对零度红外测温的工作原理热胀冷缩的工程应用

11第 11 页 · 本节要点

课后思考

先自己想，再看参考答案。答案本身不重要，思考路径才是收获。

1为什么常用液体温度计选用水银或酒精，而不是水？

参考答案水的凝固点0℃、沸点100℃，量程太窄，且在此区间膨胀不规则；水银、酒精凝固点低、沸点高，膨胀稳定均匀。

2为什么体温计离开人体后读数还能保持，而普通温度计一离开就变？

参考答案体温计玻璃管与水银泡之间有一段极细缩口；离开人体后水银柱在缩口处断开，读数被"卡住"；普通温度计没有这个结构。

3热电偶中两种金属如果换成完全相同的金属，还能测出温差吗？为什么？

参考答案不能。热电偶基于塞贝克效应，电动势来自两种金属电子逸出功不同；同种金属无论温差多大，两端都不会形成净电动势。

12第 12 页 · 课后思考