VCE 物理/第一单元/AoS 1/温度及其测量方法
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你可以感觉到某样东西是热还是冷。我们把某样东西的冷热程度称为它的“温度”。然而，我们对某样东西是热还是冷的感觉会根据我们的状态而改变。想象一下，你有一碗用来洗手的水，你可能会觉得它很凉。你的朋友可能在同一碗水里洗手，却说它很温暖。你对水温的感知，无论是冷还是热，都取决于你的手有多热或多冷。
安全第一：如果你进行任何与温度相关的实验，请确保你了解任何潜在风险，例如，你需要了解不同水温与安全的相关性——例如，烧伤和烫伤——儿童 是维多利亚州政府维护的网页，其中包含有关不同水温对身体影响的信息。
例如，取三碗水，一碗温水，一碗冷水，一碗介于两者之间的水（确保它们都是安全温度）。将你的手放在温水中一段时间，然后将手放在中间的碗中……感觉是温暖还是寒冷？然后将你的手放在温水中一段时间，然后将手放在中间的碗中……感觉是温暖还是寒冷？你设计的一些类似于此的实验必须考虑水的安全温度……你需要让温度相差多少才能感受到效果——仅仅一两度的差异可能不足以让你感受到——你可能需要先做一些初始的实验来确定大约可以感受到多少差异。此外，你需要监测温度，将手放在碗中可能会导致水温发生显著变化，随着时间的推移，温度会由于与房间的相互作用而发生变化。最好的策略可能是让中间的碗处于室温？……即使在这样简单的实验中，也有很多因素需要考虑。
其他因素也会影响我们对物体温度的感知，例如，请观看视频
我们判断温度的能力还有其他限制。例如，我们可能会被非常热或非常冷的温度灼伤——我们不想把手伸进火里去判断它有多热！……同样地，我们也不想把我们的手暴露在南极洲的中心去检查它有多冷，最好还是遮盖住！此外，我们无法接触所有东西，甚至无法靠近所有东西，来判断物体的温度——这可能包括想要知道一个无法到达的火山口（火山的一部分，可能形成一个巨大的山碗）中岩浆的温度，或者想要知道一颗距离我们数千光年的恒星的温度。
那么，我们如何克服这些限制呢？我们使用名为 温度计 的测量仪器。温度计这个词源于希腊语，其中 thermos = 热，meter = 测量，因此温度计是一种“测量物体温度的装置”。
除了 保温瓶，还有许多包含“thermos”的词，例如 热塑性塑料（可以使用热量成型的塑料）。此外，许多测量仪器的名称中都包含“meter”这个词，例如 电压表（一种用于测量电压的电气仪器）。
请注意，在英国英语（以及澳大利亚英语）中，长度的测量单位是“metre”（“r”位于“e”之前），这与“meter”（“r”位于“e”之后）的含义不同，后者指的是测量装置。然而，在美国英语中，两者拼写都是“meter”。
温度计有多种形式。其中两种你可能很熟悉。一种是装有液体（通常是酒精，最常见的是乙醇）的玻璃温度计，另一种是耳温枪（通常用于婴儿，但也用于儿童和成人，以确定他们的核心体温）。
过去，玻璃温度计中更常使用汞。然而，汞是一种有毒物质，如果你在学校有使用汞的温度计，建议你用酒精温度计、数字温度计甚至红外线温度计代替它们——如果你可以的话，你可能想要每种都备一些，因为它们在不同的情况下最有用。
为什么它们在不同的情况下有用？……好吧，我们如何测量某样东西的温度？……让我们考虑一杯热茶和一个酒精温度计。你会如何使用温度计来测量温度？……你会快速地将它浸入茶中，然后取出来，看看仪表上显示的温度吗？你可能有一种感觉，这样做不会有效。为什么？
让我们回到把手放在一碗水中的例子。如果水感觉微微温暖（或寒冷），我们将手放在里面，过了一会儿，水会感觉“正常”。我们的手会与水的温度相同，因此我们“感觉”不到水的温度——我们感知温度的方式并非如此简单，但从这种体验中，你可以得到这个概念。我们需要将温度计放在茶中足够长的时间，使其达到与茶相同的温度——我们称之为达到热平衡。
在更仔细地研究温度计的工作原理之前。我们将考虑如何才能对温度有一个一致的定义，因为热平衡的概念是这个定义的核心。
因此，假设我们有一瓶水。如果瓶子的任何部分之间没有净热流（总体热流），则称其处于热平衡状态。例如，如果你在底部加热瓶子，所以从瓶子底部到顶部的热流比从顶部到底部的热流更多，那么瓶子就不处于“热平衡”状态。同样地，我们可以说，如果瓶子具有均匀的温度，那么它就处于热平衡状态。
现在，想象一下，我们有一个水瓶，它放在一个比房间里的空气更温暖的房间里。对于这个讨论，重要的是它是一个水瓶，而不是一个碗，例如。当我们讨论热平衡时，我们是在讨论“系统”之间的热交换（这里的两个系统分别是水瓶和空气）。如果我们用一个碗装水，一些水可能会蒸发（水分子可能会离开水进入空气），或者如果碗很冷，水可能会从空气中冷凝到碗中（空气中的水分子可能会聚集在一起，在碗中形成水滴）。这将是物质交换，而不仅仅是热量交换。
所以，我们的水瓶和空气会交换热量。由于水瓶的温度较高，从水瓶到空气的热流将比从空气到水瓶的热流更多。因此，空气的温度会略微升高（房间很大），而水瓶的温度会下降。在某一点，它们会交换相同量的热量。在这点上，它们处于热平衡状态，我们说它们的温度相同。
现在，这个概念不足以定义温度是一个微妙的点。与额外，稍复杂的要求相关的定律被称为热力学第零定律（记住thermo = 热量，dynamics = 运动……因此热力学 = 热量的运动）。之所以被称为第零定律，是因为他们已经命名了第一、第二等定律，然后才意识到他们遗漏了一些东西……不得不再添加一个第零定律……这清楚地表明，我们并不明显地需要它！
假设我们有两个水瓶，水瓶 A 和水瓶 B，它们之间有一定距离。水瓶 A 和水瓶 B 都与房间里的空气 C 达成热平衡。所以每个水瓶都与房间温度相同。为了使温度具有明确的意义，如果我们将水瓶放在一起，我们预计它们会相互之间达到热平衡，也就是说，从水瓶 A 流向 B 的热量与从水瓶 B 流向 A 的热量相同。从一个水瓶到另一个水瓶没有净（总）热量流动。
因此，热力学零定律是
如果 A 与 C 处于热平衡，而 B 与 C 处于热平衡，那么 A 和 B 就处于热平衡。
换句话说
如果 A 的温度与 C 相同，而 B 的温度也与 C 相同，那么 A 和 B 的温度就相同。
要了解这与使用温度计有何重要关系，想象一下 C 是一个温度计。如果我们使用 C 来测量水瓶 A 中水的温度，并得到“20”的读数（在某个刻度上）。然后我们使用温度计测量水瓶 B 中的水，我们也得到“20”的读数，那么，为了成为一个有用的测量值，我们希望这意味着 A 和 B 处于相同的“状态”，它们具有相同的温度，如果我们将它们放在一起，它们将处于热平衡（没有净热量流动）。因此，物体的温度定义了该物体状态的一些信息。
针对老师或感兴趣的学生：热平衡的定义以及热力学零定律，将温度在数学上定义为等价关系 - 热平衡是自反的和对称的，热力学零定律添加了温度传递性的性质，以完成等价关系的要求。
不幸的是，学习设计中的陈述未能充分描述热力学零定律（参见本页末尾的要点副本）- 我建议学习设计放弃热力学零定律，只关注热平衡，或更正该要点。
许多温度计的工作原理是与所测量的物体达到热平衡。还有一些其他等效的方法来测量温度。例如，我们将在气候部分讨论红外温度计的工作原理。这里我们将集中讨论利用热平衡的温度计，比如可能含有水银或酒精的玻璃温度计，或数字温度计，它们的探头插入物体中，类似于玻璃温度计，或与物体接触，比如耳温计。
酒精温度计的工作原理是酒精的体积随温度变化。当温度较高时，它占据的空间更大，当温度较低时，它占据的空间更小。因此，少量酒精被封闭在玻璃管中。当温度升高时，酒精的体积增加，因此酒精的液面随着它填充更多管子而上升。然后，我们可以给管子加上标记，以便比较不同时间或不同物体之间的读数。
我们可以给刻度添加数字，以便轻松地说出酒精在刻度上的位置。然后，我们可以使用这些数字作为我们正在测量的物体的“温度”，即我们浸入温度计的水碗。
但我们希望能够比较一台温度计的读数与另一台温度计的读数。我们需要一个一致的刻度，以便我们能够“校准”所有温度计 - 当一个温度计读数为“10”时，它与另一个温度计上的“10”具有相同的含义。我们需要一个一致的温度刻度。
为了提供对物体温度的一致测量，我们可以将一个商定的数字分配给特定温度。一般来说，对于更热的东西，我们分配一个更大的数字。温度较低的东西，则分配一个更小的数字。历史上，人们以不同的方式分配数字。摄氏度是一种这样的刻度。
在摄氏度中，水的凝固点标记为 0（读作“零摄氏度”或简写为“零摄氏度”），水的沸点为 100。为了表明我们使用的是摄氏度，我们使用符号“°C”，它可以读作“摄氏度”。因此，水的熔点为 0 °C（简称为“零摄氏度”）。
您很可能熟悉摄氏度。这是我们用来表示澳大利亚天气的刻度 - 从寒冷的冬季的一天，气温可能在个位数，只有 1 或 2°C（在某些地方甚至低于零），到夏季的高峰期，气温可能超过 40°C。
然而，VCE 物理课程（以及本书）通常使用定义为“国际单位制”（也称为 SI 单位，其中 SI 是“Système International d'Unités”的缩写）一部分的单位。在本书中，当我们讨论温度、时间、长度和质量等物理量时，我们将介绍相关的 SI 单位。
SI 由“国际度量衡局”（BIPM）管理，英文意思是国际计量局。BIPM 的总部位于法国。这就是 BIPM 及其相关工作（如 SI）使用法语名称的原因。有关 SI 和 BIPM 的更多详细信息，请参见 附录 A : SI 单位。
温度的 SI 单位是“开尔文”（名称以小写字母开头），单位符号为“K”（大写字母）。
正确使用单位名称和符号显示了细心，以及对其历史和使用的理解。因此，正确地将“开尔文”刻度（名称以“k”开头，而不是“K”）称为“开尔文”刻度很重要，即使它不会改变你正在说的话。此外，如果你想写零开尔文，而你写了“0 k”，而你应该写“0 K”，那么你可能会造成误解和混淆。使用单位时，“k”是“kilo”的缩写，表示某物的“千” - 就像“km”（千米）表示 1000 m 一样。同样，您可以查看 附录 A : SI 单位，了解更多关于在单位名称和符号中使用大小写字母的约定 - 以及其他信息，例如使用字母“k”来表示单位的某个倍数。
温度的 SI 单位是开尔文，符号为 K。水的熔点为 273.16K。
过去使用过许多温度刻度。但是，目前，华氏度 是除开尔文和摄氏度以外唯一常用的刻度。
- 将温度在摄氏度和开尔文之间进行转换。
- 将热力学零定律描述为两个相互接触的物体达到热平衡。
- 以系统内原子和分子的平均动能为参考来描述温度。