温度：非你所想

胡德良/编译

温度：非你所想

胡德良/编译

什么是温度？特别是在入门科学课程中，这个问题出现过很多次。最常见的答案如下：温度是物体颗粒平均动能的量度。当温度升高时，这些颗粒的运动也会加快。

这个定义并不糟糕，但也不是最佳定义。或许，你应该知道，关于温度还出现过许多不切实际的情况。

热能不同于温度

如果温度是平均动能的量度，那么热能和温度不应该是一样的吗？不一样。热能是由于物体颗粒的内部运动而产生的总能量，而温度与平均动能相关，而不是跟总动能相关。

这是一个经典的例子，你可以在家里试一试。将一块冷比萨饼放在铝箔上，然后将其放在烤箱中加热。约10分钟后，比萨饼就应该热好了，铝箔大致也是相同的温度。你可以用手拉出铝箔，但不要去拿比萨饼。铝箔虽然具有高温，但由于其质量低意味着它并没有大量的热能，因此你的手指不会被烫伤。这说明什么呢？——热能和温度是不同的。

温度的其他定义

从上文中，你已经看到了温度的一个定义，然而我还要提供两个其他定义。第一个定义是过去就有的描述，内容如下：

温度是两个物体长时间接触后所共有的冷热程度的物理量。

这个定义的基础是热平衡的概念。如果你把铝球放入水中，最终水和铝球的温度是相同的。两者的热能不同，但它们具有相同的温度。这是温度的一个非常具有可操作性的定义——这不是一件坏事。

的确，温度的这一概念构成了绝大多数温度计的基础。拿基本的水银温度计（由于人们知道其中含有水银而不太常见了）或酒精温度计来说吧。将这类温度计放入液体或其他物质中，温度计内部的流体温度就会有所变化，直到跟周围物质的温度相同为止。由于水银和酒精都会随着温度的升高而膨胀，因此根据这种热膨胀效应可以确定温度的高低。事实上，可以说温度计甚至比温度这个概念出现得还要早。

下面讲第二个定义：温度是相对于熵的内在能量的变化度。这个定义很短，但是其中信息量很大，且相当难懂。首先，什么是熵？可以借助阿提什·巴提亚（Aatish Bhatia）发布的一篇很棒的贴子（https://aatishb.com/entropy/）来说明，他利用睡眠解释了什么是熵。因此，我就不再全面地解释熵了，我只解释其中几个有趣的方面。热平衡不是一个纯粹的能量现象。当两个物体达到热平衡时，能量是守恒的。但是，如果一个物体变热，另一个物体变冷，能量也能够守恒。热平衡是一个统计过程。对于两个互相接触的物体来说，很可能会产生这样的结果：两者达到相同的温度。从技术上来讲，其他的奇怪情况也能够发生，如一个物体变热，另一个物体变冷。但是，这种情况发生的可能性要比你中彩票的几率小得多，而你中彩票的几率基本上为零。

由于温度实际上是一个统计量，所以你无法测定单个粒子的温度。因此，下一次如果有人谈论单个电子的温度，或更有甚者谈论一个光子的温度，你径直走开就是了。

哪一种温标最好？

温标的种类相当多，但是常用的温标有三种：摄氏（℃）、华氏（℉）和开氏（K）。我知道大多数人使用摄氏度，但是我在训练大脑用摄氏度思考温度时总是觉得很麻烦，可能是我年龄大的缘故，无法改变。此外，我总是想到这种温标的图形显示（见华氏度与摄氏度的对比图）：0℃很冷，而到了100℃（沸水的温度）人就会死掉。

该如何校准温标呢？摄氏温标容易校准：0℃处于水的冰点，100℃处于水的沸点。这些都很容易重现，但是这些度数取决于大气条件，因此这不是校准温度计的绝好方法。开氏温标跟摄氏温标一样，只不过这种温标是以273.15为转折点的，因此0 K（开氏温标通常不用度数表示）等于273.15℃。利用开氏温标，温度没有负数，这在许多计算中很有用。

然而，华氏温标又如何呢？我认为，大家都会认同这一点：华氏温标基于两种测量——人体的温度（大约为98℉）和盐冰混合物的温度（0℉）。事实上，这正是华氏温标的有趣之处。如果将冰和盐（以及少量的水）混合在一起，你所得到的最低温度为0℉，这是一个非常低的温度，因此你可以利用盐冰混合物在家里自制冰淇淋。

尽管如此，对于为什么将人体温度测量为98℉而不是100℉，大家的意见并不完全一致。一种观点是华氏温标分为三段，每一段有32度，因为32℉是水结冰时的温度。这不太符合人体温度为100℉的情况，但是已经很接近100℉了。我想直到有人发明了时间机器，我们才会知道这其中的原因了。

-40°的特别之处

华氏度与摄氏度的对比

如果你将-40℉转换为摄氏度，结果为-40℃。然而，对于-40°的意义而言，正确答案则为：这是霍斯星球上的温度。如果你浏览《星球大战》的网站，你会看到网站上说霍斯星球的温度在夜间降至-60℃。因此我猜想，或许白天该星球的温度是-40℃（或℉）吧。无论如何，科教节目《流言终结者》测试了驼驼睡袋（来源于星球大战）的热性能，所使用的温度就是-40°，因此就有了这个温度。

现在，我们再来处理一些数学问题。如何将华氏度转换为摄氏度呢？由于两者都是线性温标，可以找到一个函数式将摄氏度表示为华氏度的函数。要做到这一点，需要利用两个数据点连成一条线。还好，我已经拥有数据点了，那就是水的冰点和沸点。这样就形成了两个坐标点（x是华氏温度，y是摄氏温度）——（32，0）和（212，100）。现在，我们就可以利用这两个点位来找出这条直线的斜率，并得到该直线的方程式。这里把细节步骤省略掉了，得到如下的方程式：

你可以代入-40℉，看看得出什么数？换个图表会怎样呢？可以在同一张图表上绘制两条线，一条线表示摄氏度是华氏度的函数，另一条线表示华氏度是摄氏度的函数。

华氏线和摄氏线在何处相交呢？没错儿，在-40°处相交。因此，下一次你呆在霍斯星球上时，你可以说温度为-40°。当朋友问及“那是摄氏度还是华氏度”的时候，你就回答“都是”就行了。

本文作者瑞德·艾伦（Rhett Allain），美国东南路易斯安那大学化学与物理系的物理学副教授，《连线》杂志科学博客作者。

[资料来源：Wired][责任编辑：田 心]