溫度：非你所想

胡德良/編譯

溫度：非你所想

胡德良/編譯

什么是溫度？特別是在入門科學課程中，這個問題出現過很多次。最常見的答案如下：溫度是物體顆粒平均動能的量度。當溫度升高時，這些顆粒的運動也會加快。

這個定義并不糟糕，但也不是最佳定義。或許，你應該知道，關于溫度還出現過許多不切實際的情況。

熱能不同于溫度

如果溫度是平均動能的量度，那么熱能和溫度不應該是一樣的嗎？不一樣。熱能是由于物體顆粒的內部運動而產生的總能量，而溫度與平均動能相關，而不是跟總動能相關。

這是一個經典的例子，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，但由于其質量低意味著它并沒有大量的熱能，因此你的手指不會被燙傷。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，你已經看到了溫度的一個定義，然而我還要提供兩個其他定義。第一個定義是過去就有的描述，內容如下：

溫度是兩個物體長時間接觸后所共有的冷熱程度的物理量。

這個定義的基礎是熱平衡的概念。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，溫度的這一概念構成了絕大多數溫度計的基礎。拿基本的水銀溫度計（由于人們知道其中含有水銀而不太常見了）或酒精溫度計來說吧。將這類溫度計放入液體或其他物質中，溫度計內部的流體溫度就會有所變化，直到跟周圍物質的溫度相同為止。由于水銀和酒精都會隨著溫度的升高而膨脹，因此根據這種熱膨脹效應可以確定溫度的高低。事實上，可以說溫度計甚至比溫度這個概念出現得還要早。

下面講第二個定義：溫度是相對于熵的內在能量的變化度。這個定義很短，但是其中信息量很大，且相當難懂。首先，什么是熵？可以借助阿提什·巴提亞（Aatish Bhatia）發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，我只解釋其中幾個有趣的方面。熱平衡不是一個純粹的能量現象。當兩個物體達到熱平衡時，能量是守恒的。但是，如果一個物體變熱，另一個物體變冷，能量也能夠守恒。熱平衡是一個統計過程。對于兩個互相接觸的物體來說，很可能會產生這樣的結果：兩者達到相同的溫度。從技術上來講，其他的奇怪情況也能夠發生，如一個物體變熱，另一個物體變冷。但是，這種情況發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。

由于溫度實際上是一個統計量，所以你無法測定單個粒子的溫度。因此，下一次如果有人談論單個電子的溫度，或更有甚者談論一個光子的溫度，你徑直走開就是了。

哪一種溫標最好？

溫標的種類相當多，但是常用的溫標有三種：攝氏（℃）、華氏（℉）和開氏（K）。我知道大多數人使用攝氏度，但是我在訓練大腦用攝氏度思考溫度時總是覺得很麻煩，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的圖形顯示（見華氏度與攝氏度的對比圖）：0℃很冷，而到了100℃（沸水的溫度）人就會死掉。

該如何校準溫標呢？攝氏溫標容易校準：0℃處于水的冰點，100℃處于水的沸點。這些都很容易重現，但是這些度數取決于大氣條件，因此這不是校準溫度計的絕好方法。開氏溫標跟攝氏溫標一樣，只不過這種溫標是以273.15為轉折點的，因此0 K（開氏溫標通常不用度數表示）等于273.15℃。利用開氏溫標，溫度沒有負數，這在許多計算中很有用。

然而，華氏溫標又如何呢？我認為，大家都會認同這一點：華氏溫標基于兩種測量——人體的溫度（大約為98℉）和鹽冰混合物的溫度（0℉）。事實上，這正是華氏溫標的有趣之處。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，對于為什么將人體溫度測量為98℉而不是100℉，大家的意見并不完全一致。一種觀點是華氏溫標分為三段，每一段有32度，因為32℉是水結冰時的溫度。這不太符合人體溫度為100℉的情況，但是已經很接近100℉了。我想直到有人發明了時間機器，我們才會知道這其中的原因了。

-40°的特別之處

華氏度與攝氏度的對比

如果你將-40℉轉換為攝氏度，結果為-40℃。然而，對于-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》的網站，你會看到網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，科教節目《流言終結者》測試了駝駝睡袋（來源于星球大戰）的熱性能，所使用的溫度就是-40°，因此就有了這個溫度。

現在，我們再來處理一些數學問題。如何將華氏度轉換為攝氏度呢？由于兩者都是線性溫標，可以找到一個函數式將攝氏度表示為華氏度的函數。要做到這一點，需要利用兩個數據點連成一條線。還好，我已經擁有數據點了，那就是水的冰點和沸點。這樣就形成了兩個坐標點（x是華氏溫度，y是攝氏溫度）——（32，0）和（212，100）。現在，我們就可以利用這兩個點位來找出這條直線的斜率，并得到該直線的方程式。這里把細節步驟省略掉了，得到如下的方程式：

你可以代入-40℉，看看得出什么數？換個圖表會怎樣呢？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，另一條線表示華氏度是攝氏度的函數。

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

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

[資料來源：Wired][責任編輯：田 心]