VCE 物理/第一單元/AoS 1/溫度及其測量方法
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你可以感覺到某樣東西是熱還是冷。我們把某樣東西的冷熱程度稱為它的“溫度”。然而，我們對某樣東西是熱還是冷的感覺會根據我們的狀態而改變。想象一下，你有一碗用來洗手的水，你可能會覺得它很涼。你的朋友可能在同一碗水裡洗手，卻說它很溫暖。你對水溫的感知，無論是冷還是熱，都取決於你的手有多熱或多冷。
安全第一：如果你進行任何與溫度相關的實驗，請確保你瞭解任何潛在風險，例如，你需要了解不同水溫與安全的相關性——例如，燒傷和燙傷——兒童 是維多利亞州政府維護的網頁，其中包含有關不同水溫對身體影響的資訊。
例如，取三碗水，一碗溫水，一碗冷水，一碗介於兩者之間的水（確保它們都是安全溫度）。將你的手放在溫水中一段時間，然後將手放在中間的碗中……感覺是溫暖還是寒冷？然後將你的手放在溫水中一段時間，然後將手放在中間的碗中……感覺是溫暖還是寒冷？你設計的一些類似於此的實驗必須考慮水的安全溫度……你需要讓溫度相差多少才能感受到效果——僅僅一兩度的差異可能不足以讓你感受到——你可能需要先做一些初始的實驗來確定大約可以感受到多少差異。此外，你需要監測溫度，將手放在碗中可能會導致水溫發生顯著變化，隨著時間的推移，溫度會由於與房間的相互作用而發生變化。最好的策略可能是讓中間的碗處於室溫？……即使在這樣簡單的實驗中，也有很多因素需要考慮。
其他因素也會影響我們對物體溫度的感知，例如，請觀看影片
我們判斷溫度的能力還有其他限制。例如，我們可能會被非常熱或非常冷的溫度灼傷——我們不想把手伸進火裡去判斷它有多熱！……同樣地，我們也不想把我們的手暴露在南極洲的中心去檢查它有多冷，最好還是遮蓋住！此外，我們無法接觸所有東西，甚至無法靠近所有東西，來判斷物體的溫度——這可能包括想要知道一個無法到達的火山口（火山的一部分，可能形成一個巨大的山碗）中岩漿的溫度，或者想要知道一顆距離我們數千光年的恆星的溫度。
那麼，我們如何克服這些限制呢？我們使用名為 溫度計 的測量儀器。溫度計這個詞源於希臘語，其中 thermos = 熱，meter = 測量，因此溫度計是一種“測量物體溫度的裝置”。
除了 保溫瓶，還有許多包含“thermos”的詞，例如 熱塑性塑膠（可以使用熱量成型的塑膠）。此外，許多測量儀器的名稱中都包含“meter”這個詞，例如 電壓表（一種用於測量電壓的電氣儀器）。
請注意，在英國英語（以及澳大利亞英語）中，長度的測量單位是“metre”（“r”位於“e”之前），這與“meter”（“r”位於“e”之後）的含義不同，後者指的是測量裝置。然而，在美國英語中，兩者拼寫都是“meter”。
溫度計有多種形式。其中兩種你可能很熟悉。一種是裝有液體（通常是酒精，最常見的是乙醇）的玻璃溫度計，另一種是耳溫槍（通常用於嬰兒，但也用於兒童和成人，以確定他們的核心體溫）。
過去，玻璃溫度計中更常使用汞。然而，汞是一種有毒物質，如果你在學校有使用汞的溫度計，建議你用酒精溫度計、數字溫度計甚至紅外線溫度計代替它們——如果你可以的話，你可能想要每種都備一些，因為它們在不同的情況下最有用。
為什麼它們在不同的情況下有用？……好吧，我們如何測量某樣東西的溫度？……讓我們考慮一杯熱茶和一個酒精溫度計。你會如何使用溫度計來測量溫度？……你會快速地將它浸入茶中，然後取出來，看看儀表上顯示的溫度嗎？你可能有一種感覺，這樣做不會有效。為什麼？
讓我們回到把手放在一碗水中的例子。如果水感覺微微溫暖（或寒冷），我們將手放在裡面，過了一會兒，水會感覺“正常”。我們的手會與水的溫度相同，因此我們“感覺”不到水的溫度——我們感知溫度的方式並非如此簡單，但從這種體驗中，你可以得到這個概念。我們需要將溫度計放在茶中足夠長的時間，使其達到與茶相同的溫度——我們稱之為達到熱平衡。
在更仔細地研究溫度計的工作原理之前。我們將考慮如何才能對溫度有一個一致的定義，因為熱平衡的概念是這個定義的核心。
因此，假設我們有一瓶水。如果瓶子的任何部分之間沒有淨熱流（總體熱流），則稱其處於熱平衡狀態。例如，如果你在底部加熱瓶子，所以從瓶子底部到頂部的熱流比從頂部到底部的熱流更多，那麼瓶子就不處於“熱平衡”狀態。同樣地，我們可以說，如果瓶子具有均勻的溫度，那麼它就處於熱平衡狀態。
現在，想象一下，我們有一個水瓶，它放在一個比房間裡的空氣更溫暖的房間裡。對於這個討論，重要的是它是一個水瓶，而不是一個碗，例如。當我們討論熱平衡時，我們是在討論“系統”之間的熱交換（這裡的兩個系統分別是水瓶和空氣）。如果我們用一個碗裝水，一些水可能會蒸發（水分子可能會離開水進入空氣），或者如果碗很冷，水可能會從空氣中冷凝到碗中（空氣中的水分子可能會聚集在一起，在碗中形成水滴）。這將是物質交換，而不僅僅是熱量交換。
所以，我們的水瓶和空氣會交換熱量。由於水瓶的溫度較高，從水瓶到空氣的熱流將比從空氣到水瓶的熱流更多。因此，空氣的溫度會略微升高（房間很大），而水瓶的溫度會下降。在某一點，它們會交換相同量的熱量。在這點上，它們處於熱平衡狀態，我們說它們的溫度相同。
現在，這個概念不足以定義溫度是一個微妙的點。與額外，稍複雜的要求相關的定律被稱為熱力學第零定律（記住thermo = 熱量，dynamics = 運動……因此熱力學 = 熱量的運動）。之所以被稱為第零定律，是因為他們已經命名了第一、第二等定律，然後才意識到他們遺漏了一些東西……不得不再新增一個第零定律……這清楚地表明，我們並不明顯地需要它！
假設我們有兩個水瓶，水瓶 A 和水瓶 B，它們之間有一定距離。水瓶 A 和水瓶 B 都與房間裡的空氣 C 達成熱平衡。所以每個水瓶都與房間溫度相同。為了使溫度具有明確的意義，如果我們將水瓶放在一起，我們預計它們會相互之間達到熱平衡，也就是說，從水瓶 A 流向 B 的熱量與從水瓶 B 流向 A 的熱量相同。從一個水瓶到另一個水瓶沒有淨（總）熱量流動。
因此，熱力學零定律是
如果 A 與 C 處於熱平衡，而 B 與 C 處於熱平衡，那麼 A 和 B 就處於熱平衡。
換句話說
如果 A 的溫度與 C 相同，而 B 的溫度也與 C 相同，那麼 A 和 B 的溫度就相同。
要了解這與使用溫度計有何重要關係，想象一下 C 是一個溫度計。如果我們使用 C 來測量水瓶 A 中水的溫度，並得到“20”的讀數（在某個刻度上）。然後我們使用溫度計測量水瓶 B 中的水，我們也得到“20”的讀數，那麼，為了成為一個有用的測量值，我們希望這意味著 A 和 B 處於相同的“狀態”，它們具有相同的溫度，如果我們將它們放在一起，它們將處於熱平衡（沒有淨熱量流動）。因此，物體的溫度定義了該物體狀態的一些資訊。
針對老師或感興趣的學生：熱平衡的定義以及熱力學零定律，將溫度在數學上定義為等價關係 - 熱平衡是自反的和對稱的，熱力學零定律添加了溫度傳遞性的性質，以完成等價關係的要求。
不幸的是，學習設計中的陳述未能充分描述熱力學零定律（參見本頁末尾的要點副本）- 我建議學習設計放棄熱力學零定律，只關注熱平衡，或更正該要點。
許多溫度計的工作原理是與所測量的物體達到熱平衡。還有一些其他等效的方法來測量溫度。例如，我們將在氣候部分討論紅外溫度計的工作原理。這裡我們將集中討論利用熱平衡的溫度計，比如可能含有水銀或酒精的玻璃溫度計，或數字溫度計，它們的探頭插入物體中，類似於玻璃溫度計，或與物體接觸，比如耳溫計。
酒精溫度計的工作原理是酒精的體積隨溫度變化。當溫度較高時，它佔據的空間更大，當溫度較低時，它佔據的空間更小。因此，少量酒精被封閉在玻璃管中。當溫度升高時，酒精的體積增加，因此酒精的液麵隨著它填充更多管子而上升。然後，我們可以給管子加上標記，以便比較不同時間或不同物體之間的讀數。
我們可以給刻度新增數字，以便輕鬆地說出酒精在刻度上的位置。然後，我們可以使用這些數字作為我們正在測量的物體的“溫度”，即我們浸入溫度計的水碗。
但我們希望能夠比較一臺溫度計的讀數與另一臺溫度計的讀數。我們需要一個一致的刻度，以便我們能夠“校準”所有溫度計 - 當一個溫度計讀數為“10”時，它與另一個溫度計上的“10”具有相同的含義。我們需要一個一致的溫度刻度。
為了提供對物體溫度的一致測量，我們可以將一個商定的數字分配給特定溫度。一般來說，對於更熱的東西，我們分配一個更大的數字。溫度較低的東西，則分配一個更小的數字。歷史上，人們以不同的方式分配數字。攝氏度是一種這樣的刻度。
在攝氏度中，水的凝固點標記為 0（讀作“零攝氏度”或簡寫為“零攝氏度”），水的沸點為 100。為了表明我們使用的是攝氏度，我們使用符號“°C”，它可以讀作“攝氏度”。因此，水的熔點為 0 °C（簡稱為“零攝氏度”）。
您很可能熟悉攝氏度。這是我們用來表示澳大利亞天氣的刻度 - 從寒冷的冬季的一天，氣溫可能在個位數，只有 1 或 2°C（在某些地方甚至低於零），到夏季的高峰期，氣溫可能超過 40°C。
然而，VCE 物理課程（以及本書）通常使用定義為“國際單位制”（也稱為 SI 單位，其中 SI 是“Système International d'Unités”的縮寫）一部分的單位。在本書中，當我們討論溫度、時間、長度和質量等物理量時，我們將介紹相關的 SI 單位。
SI 由“國際度量衡局”（BIPM）管理，英文意思是國際計量局。BIPM 的總部位於法國。這就是 BIPM 及其相關工作（如 SI）使用法語名稱的原因。有關 SI 和 BIPM 的更多詳細資訊，請參見 附錄 A : SI 單位。
溫度的 SI 單位是“開爾文”（名稱以小寫字母開頭），單位符號為“K”（大寫字母）。
正確使用單位名稱和符號顯示了細心，以及對其歷史和使用的理解。因此，正確地將“開爾文”刻度（名稱以“k”開頭，而不是“K”）稱為“開爾文”刻度很重要，即使它不會改變你正在說的話。此外，如果你想寫零開爾文，而你寫了“0 k”，而你應該寫“0 K”，那麼你可能會造成誤解和混淆。使用單位時，“k”是“kilo”的縮寫，表示某物的“千” - 就像“km”（千米）表示 1000 m 一樣。同樣，您可以檢視 附錄 A : SI 單位，瞭解更多關於在單位名稱和符號中使用大小寫字母的約定 - 以及其他資訊，例如使用字母“k”來表示單位的某個倍數。
溫度的 SI 單位是開爾文，符號為 K。水的熔點為 273.16K。
過去使用過許多溫度刻度。但是，目前，華氏度 是除開爾文和攝氏度以外唯一常用的刻度。
- 將溫度在攝氏度和開爾文之間進行轉換。
- 將熱力學零定律描述為兩個相互接觸的物體達到熱平衡。
- 以系統內原子和分子的平均動能為參考來描述溫度。