胡德良/編譯

溫度：非你所想

胡德良/編譯

什么是溫度？特別是在入門科學(xué)課程中，這個(gè)問題出現(xiàn)過很多次。最常見的答案如下：溫度是物體顆粒平均動(dòng)能的量度。當(dāng)溫度升高時(shí)，這些顆粒的運(yùn)動(dòng)也會(huì)加快。

這個(gè)定義并不糟糕，但也不是最佳定義。或許，你應(yīng)該知道，關(guān)于溫度還出現(xiàn)過許多不切實(shí)際的情況。

熱能不同于溫度

如果溫度是平均動(dòng)能的量度，那么熱能和溫度不應(yīng)該是一樣的嗎？不一樣。熱能是由于物體顆粒的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的總能量，而溫度與平均動(dòng)能相關(guān)，而不是跟總動(dòng)能相關(guān)。

這是一個(gè)經(jīng)典的例子，你可以在家里試一試。將一塊冷比薩餅放在鋁箔上，然后將其放在烤箱中加熱。約10分鐘后，比薩餅就應(yīng)該熱好了，鋁箔大致也是相同的溫度。你可以用手拉出鋁箔，但不要去拿比薩餅。鋁箔雖然具有高溫，但由于其質(zhì)量低意味著它并沒有大量的熱能，因此你的手指不會(huì)被燙傷。這說明什么呢？——熱能和溫度是不同的。

溫度的其他定義

從上文中，你已經(jīng)看到了溫度的一個(gè)定義，然而我還要提供兩個(gè)其他定義。第一個(gè)定義是過去就有的描述，內(nèi)容如下：

溫度是兩個(gè)物體長(zhǎng)時(shí)間接觸后所共有的冷熱程度的物理量。

這個(gè)定義的基礎(chǔ)是熱平衡的概念。如果你把鋁球放入水中，最終水和鋁球的溫度是相同的。兩者的熱能不同，但它們具有相同的溫度。這是溫度的一個(gè)非常具有可操作性的定義——這不是一件壞事。

的確，溫度的這一概念構(gòu)成了絕大多數(shù)溫度計(jì)的基礎(chǔ)。拿基本的水銀溫度計(jì)（由于人們知道其中含有水銀而不太常見了）或酒精溫度計(jì)來說吧。將這類溫度計(jì)放入液體或其他物質(zhì)中，溫度計(jì)內(nèi)部的流體溫度就會(huì)有所變化，直到跟周圍物質(zhì)的溫度相同為止。由于水銀和酒精都會(huì)隨著溫度的升高而膨脹，因此根據(jù)這種熱膨脹效應(yīng)可以確定溫度的高低。事實(shí)上，可以說溫度計(jì)甚至比溫度這個(gè)概念出現(xiàn)得還要早。

下面講第二個(gè)定義：溫度是相對(duì)于熵的內(nèi)在能量的變化度。這個(gè)定義很短，但是其中信息量很大，且相當(dāng)難懂。首先，什么是熵？可以借助阿提什·巴提亞（Aatish Bhatia）發(fā)布的一篇很棒的貼子（https://aatishb.com/entropy/）來說明，他利用睡眠解釋了什么是熵。因此，我就不再全面地解釋熵了，我只解釋其中幾個(gè)有趣的方面。熱平衡不是一個(gè)純粹的能量現(xiàn)象。當(dāng)兩個(gè)物體達(dá)到熱平衡時(shí)，能量是守恒的。但是，如果一個(gè)物體變熱，另一個(gè)物體變冷，能量也能夠守恒。熱平衡是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過程。對(duì)于兩個(gè)互相接觸的物體來說，很可能會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果：兩者達(dá)到相同的溫度。從技術(shù)上來講，其他的奇怪情況也能夠發(fā)生，如一個(gè)物體變熱，另一個(gè)物體變冷。但是，這種情況發(fā)生的可能性要比你中彩票的幾率小得多，而你中彩票的幾率基本上為零。

由于溫度實(shí)際上是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，所以你無法測(cè)定單個(gè)粒子的溫度。因此，下一次如果有人談?wù)搯蝹€(gè)電子的溫度，或更有甚者談?wù)撘粋€(gè)光子的溫度，你徑直走開就是了。

哪一種溫標(biāo)最好？

溫標(biāo)的種類相當(dāng)多，但是常用的溫標(biāo)有三種：攝氏（℃）、華氏（℉）和開氏（K）。我知道大多數(shù)人使用攝氏度，但是我在訓(xùn)練大腦用攝氏度思考溫度時(shí)總是覺得很麻煩，可能是我年齡大的緣故，無法改變。此外，我總是想到這種溫標(biāo)的圖形顯示（見華氏度與攝氏度的對(duì)比圖）：0℃很冷，而到了100℃（沸水的溫度）人就會(huì)死掉。

該如何校準(zhǔn)溫標(biāo)呢？攝氏溫標(biāo)容易校準(zhǔn)：0℃處于水的冰點(diǎn)，100℃處于水的沸點(diǎn)。這些都很容易重現(xiàn)，但是這些度數(shù)取決于大氣條件，因此這不是校準(zhǔn)溫度計(jì)的絕好方法。開氏溫標(biāo)跟攝氏溫標(biāo)一樣，只不過這種溫標(biāo)是以273.15為轉(zhuǎn)折點(diǎn)的，因此0 K（開氏溫標(biāo)通常不用度數(shù)表示）等于273.15℃。利用開氏溫標(biāo)，溫度沒有負(fù)數(shù)，這在許多計(jì)算中很有用。

然而，華氏溫標(biāo)又如何呢？我認(rèn)為，大家都會(huì)認(rèn)同這一點(diǎn)：華氏溫標(biāo)基于兩種測(cè)量——人體的溫度（大約為98℉）和鹽冰混合物的溫度（0℉）。事實(shí)上，這正是華氏溫標(biāo)的有趣之處。如果將冰和鹽（以及少量的水）混合在一起，你所得到的最低溫度為0℉，這是一個(gè)非常低的溫度，因此你可以利用鹽冰混合物在家里自制冰淇淋。

盡管如此，對(duì)于為什么將人體溫度測(cè)量為98℉而不是100℉，大家的意見并不完全一致。一種觀點(diǎn)是華氏溫標(biāo)分為三段，每一段有32度，因?yàn)?2℉是水結(jié)冰時(shí)的溫度。這不太符合人體溫度為100℉的情況，但是已經(jīng)很接近100℉了。我想直到有人發(fā)明了時(shí)間機(jī)器，我們才會(huì)知道這其中的原因了。

-40°的特別之處

華氏度與攝氏度的對(duì)比

如果你將-40℉轉(zhuǎn)換為攝氏度，結(jié)果為-40℃。然而，對(duì)于-40°的意義而言，正確答案則為：這是霍斯星球上的溫度。如果你瀏覽《星球大戰(zhàn)》的網(wǎng)站，你會(huì)看到網(wǎng)站上說霍斯星球的溫度在夜間降至-60℃。因此我猜想，或許白天該星球的溫度是-40℃（或℉）吧。無論如何，科教節(jié)目《流言終結(jié)者》測(cè)試了駝駝睡袋（來源于星球大戰(zhàn)）的熱性能，所使用的溫度就是-40°，因此就有了這個(gè)溫度。

現(xiàn)在，我們?cè)賮硖幚硪恍?shù)學(xué)問題。如何將華氏度轉(zhuǎn)換為攝氏度呢？由于兩者都是線性溫標(biāo)，可以找到一個(gè)函數(shù)式將攝氏度表示為華氏度的函數(shù)。要做到這一點(diǎn)，需要利用兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成一條線。還好，我已經(jīng)擁有數(shù)據(jù)點(diǎn)了，那就是水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)。這樣就形成了兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（x是華氏溫度，y是攝氏溫度）——（32，0）和（212，100）?，F(xiàn)在，我們就可以利用這兩個(gè)點(diǎn)位來找出這條直線的斜率，并得到該直線的方程式。這里把細(xì)節(jié)步驟省略掉了，得到如下的方程式：

你可以代入-40℉，看看得出什么數(shù)？換個(gè)圖表會(huì)怎樣呢？可以在同一張圖表上繪制兩條線，一條線表示攝氏度是華氏度的函數(shù)，另一條線表示華氏度是攝氏度的函數(shù)。

華氏線和攝氏線在何處相交呢？沒錯(cuò)兒，在-40°處相交。因此，下一次你呆在霍斯星球上時(shí)，你可以說溫度為-40°。當(dāng)朋友問及“那是攝氏度還是華氏度”的時(shí)候，你就回答“都是”就行了。

本文作者瑞德·艾倫（Rhett Allain），美國(guó)東南路易斯安那大學(xué)化學(xué)與物理系的物理學(xué)副教授，《連線》雜志科學(xué)博客作者。

[資料來源：Wired][責(zé)任編輯：田 心]