【趣·科普】Temperature measurement

本文标题：Temperature measurement 作者 ： Ming Wilson

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mpaic.2021.01.015

热量和温度是两个密切相关但又截然不同的概念。热和温度的主要区别在于，热量处理的是热能（thermal energy），而温度更关注的是分子动能（molecular kinetic energy）。当物质被冷却时，它会失去热能。最终它将达到不再拥有任何热能或动能的温度，而无法再冷却，这个温度是绝对零度。另一个独特的温度概念是物质的三相点，物质在固相、液相和气相中同时处于完全平衡状态的温度。每种物质的三相点都是独一无二的。例如水的三相点在0.006个大气压和0.01°C温度下。温度可以通过摄氏度、华氏度和开尔文温度来衡量。许多临床温度计设计为以数字格式显示输出，以便于监测和记录，无需用电多种的温度计也仍在使用。

热（heat）

热是一种能量形式，以焦耳（J）为单位。Heat和thermal在很多语境下是相同的。热量可以通过现实生活中的例子来说明。考虑在喝一杯热咖啡，假设一杯咖啡的温度为80 °C，环境的温度为 20 °C。杯子太热很难触摸，咖啡太热而无法饮用。随着时间的推移，咖啡杯和咖啡都会逐渐冷却到可饮用的温度。如果你忍住喝咖啡的冲动，它最终会从80°C冷却到20°C左右。那么，随着时间的推移，杯子中发生了什么导致咖啡冷却呢？宏观上看，咖啡和杯子正在将热量传递到周围的空气中。随着咖啡和杯子温度的下降，其颗粒的平均动能正在下降，咖啡和杯子都在失去能量。咖啡和杯子损失的能量正在转移到较冷的环境中。台面应该比咖啡杯放在台面上之前感觉更温暖。这种从咖啡和杯子到周围空气和台面的能量流就是热量。热量也可以定义为从温度较高的物体转移到温度较低物体的能量。

温度

温度是衡量物体冷热程度的指标，通常以摄氏度（°C）为单位。温度也可以以华氏度（°F）或开尔文（K）为单位。物体通过从周围环境获得能量来提高其温度，物体通过向周围环境释放热量来降低温度。物体的加热和冷却都涉及从较高温度物体到较低温度物体的热传递。温度是一个物体将热能传递到另一个物体的能力的量度。物体的温度越高，其传热倾向越大。

热量和温度之间的差异与相似之处

热量是热量变化的量度，描述了系统内分子之间的热能传递。热量是一个描述能量如何移动或流动过程的概念，物体可以获得热量或失去热量。温度是物质颗粒动能的度量，简言之，物质越热意味着其微观粒子运动越快，温度描述了物体内分子的平均动能。热量是由分子之间的温差引起的热能传递的量度。热量和温度往往会一起增加和减少。如果向物体增加热量，其温度会升高。如果从物体上移走热量，其温度就会下降。

比热容Specific heat capacity

物质的热能取决于其质量（粒子总数）和比热容。如果将物质的质量加倍，则将其加热到相同温度所需的热能将加倍。物质的比热容是将单位质量物质提高1°C所需的热能量。

温标Temperature scales

目前使用的主要温标是华氏度、摄氏度和开尔文温标。温标用于指示相对于起点和测量单位的温度。通过识别两个可重复的温度来创建温标，这些称为不动点（fixed points），再通过将范围划分为增量来确定比例。第一个建立的温标是华氏温标，该温标仍在美国使用。之后，建立了摄氏标度。摄氏刻度在世界大部分地区使用。开尔文标度是摄氏标度的变体，从绝对零度开始，多用于科学应用。

由于华氏温标在美国使用，而摄氏几乎在其他任何地方都使用，有时候需要从一个转换为另一个。表1展示了 三个刻度之间转换所需的公式。表2 显示了常用的温度参考点，单位为摄氏度、华氏度和开尔文。

表2 常用温度在不同温标下的值

对于摄氏温度，标定点利用水的属性定义： 低温标定点；冰点，是纯的 冰 在标准大气压下的温度， 这被定义为0°C。 高温标定点； 蒸汽点 ，是纯的沸水在标准大气压下的温度，这被定义为100°C。 两个 标 定点之间有 100 个单位，因此使 用起来更容易。 华氏度的两个 标 定点与摄氏度类似： 标准大气压下水的结冰温度被定为32℉（ 低温 标定点 ），而标准大气压下的水的沸腾温度为212℉（高 温 标定点 ），高低温标定点之间被分为180份。 有趣的是，-40在华氏和摄氏温标中代表一样的温度（-40 ℉和-40°C代表相同的温度 ）

而开尔文标度，两个标定点是水的零点和三相点。绝对零度是理论上可以达到的最低温度。 在绝对零度时，没有动能（所有分子运动停止），也即没有热量。 绝对零度发生在0 K（或-273.15°C或-459.67°F）的温度。 物 质的三相点是指在某温度和压力下，物质可以在热力学平衡的所有三 相（固体，液体和气体）中共存。 三相点对于每种物质都是独一无二的。 水在611.2 Pa（0.006 atm）大气压下，273.16 K（0.01 °C 或 32.018 °F）处达到三相点。

如前所述，温度是原子动能的量度。在开尔文标度上，零开尔文是绝对零度的温度，因此是该标度的零点。它是物理上可以在宇宙任何地方获得的最低温度。不可能达到低于零开尔文的温度。

开尔文和摄氏标度是相关的，水的冰点和沸点之间的差异均为100，在开尔文温度上，这两个点分别为273.15 K和373.15 K；在摄氏温标上，这两个点分别为0°C和100°C。

所有现代温度计均使用1990年国际温标（ITS-90）进行校准。在这个尺度上，温度是通过一系列不动点（也称为平衡状态）确定的，这些定点具有以开尔文表示的指定值。温度的SI单位（国际单位制）是开尔文。

温度计

温度计是测量物体温度的设备。温度计主要利用某些物质可测量的物理性质随温度变化而变化的特性，例如液体的体积、金属的电阻。表3总结了温度计中使用的温度特性。

根据温度计是否需要用电可以分为用电温度计和非电温度计。

非电温度计

非电动温度计包括液体温度计和形变型温度计。液体温度计中的液体可以是汞或酒精，汞和酒精体积膨胀均匀是其中的首选。除了测量体温外，还可用于确定房间内或建筑物外的温度。在这些温度计中，液体充满玻璃泡，然后连接到具有恒定横截面积的密封窄玻璃管。测量体温时，温度计的液泡部分可以放在嘴里，腋窝或直肠中，吸收或散发热能，直到其温度与其环境相同。当温度升高时，液体的体积膨胀，液体上升到管中。校准的温度刻度标记在温度计的外部。玻璃管的孔越窄，刻度标记可以放置得越远，并且可以更准确地读取温度。

图1 一些无需用电的温度计

形变型温度计随温度变化而改变形状，其中的两种主要类型是双金属带和波登管（Bimetallic strip）温度计。

双金属带温度计是由一对金属带（如黄铜和钢）组成的，每种金属具有不同的热膨胀系数，其中一端固定，一端可以自由移动。随着温度的变化，一条带比另一条膨胀得更多，导致在自由端弯曲。膨胀是温度的量度，可以从校准刻度上读取。常见的有两种类型的双金属条，悬臂式和螺旋形。

波登管温度计由波登管组成，一种螺旋形的弯曲金属管，里面装满了液体（也称为充液温度计或液态金属温度计）或气体（也称为充气温度计或气体温度计）。 在充满液体的波登管温度计中，液体用作温度物质的方式与玻璃容器中的液体 温度 计相同。 与常规液体温度计相比，测量的不是液体的热膨胀，而是当液体完全占据封闭体积时，温度升高会导致压力的增加（盖-吕萨克定律），测 温液体的体积保持不变， 温度升高会导致压力增加，温度可以通过校准刻度上的压力上升来确定。

表4 无需用电温度的特点、优势和局限。

在充气波登管温度计中，气体用作温度流体，但是两者背后的原理是相同的，测量的不是流体的膨胀，而是恒定体积下的压力增加，这与温度的升高相关。然而，充气温度计由于其设计更复杂，比充液温度计更昂贵。根据气体的不同，可以测量−200 °C 至 700 °C 的极端温度范围，使其可测量范围大于充满液体的温度计。表4总结了可用的非电温度计及其优缺点。

图2 一些需要用电的温度计示意图

在电阻温度计中，恒定电流流过金属导体。根据欧姆定律（V = IR），在恒定电流下，导体上的电压随电阻（以及温度）线性增加。测量的电压变化可用于确定温度。最常用的金属是铂，但也可以使用镍和铜。该金属被整合到惠斯通电桥电路中，以便能够高度准确地测量电阻的变化。

热敏电阻由对温度敏感的金属氧化物半导体（例如镍、锰、钴）组成。随着温度的升高，电阻呈指数级下降。与电阻温度计一样，半导体集成在惠斯通电桥电路中，也能够准确地测量电阻的变化。

热电偶由两根不同的金属线组成。使用的金属通常是铁和康铜（铜镍合金）。热电偶的是通过发现导体在受到温度梯度时产生电压而建立的（塞贝克效应：塞贝克效应描述了由沿导线的温差引起的电压差）。为了测量该电压，使用在相同温度梯度下产生不同电压的另外一种导体，然后可以测量两个导体产生的电压差。

其他温度计

所有高于绝对零度的物体都会有红外辐射（IR），并且在体温下的辐射具有特征波长。高温计或红外测温仪测量人体发出的红外能量。鼓膜红外温度计可以测量人体耳膜在校准时间内发出的红外能量。内置红外探测器（由热释电晶体制成）在不到0.5秒的时间内检测到来自鼓膜的辐射。热释电晶体的暂时极化产生与温度变化成比例的电压。

在很多国家，在机场和其他密集的公共场所使用“温度枪”通过非接触方式测量体温。这些“温度枪”是高速高温计，旨在进行快速的一次性温度测量。它们的形状像带有内置探测器、信号放大器、电源和温度显示屏的枪。其使用非常简单：指向温度未知的物体并按下扳机。

本文节选自Temperature measurement，编译：暮大河。 原文发表于https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1472029921000199#tbl1