温度与热

温度是日常生活中最常见、最直接能感受到的物理量之一。从开水烫手、冰块冰凉、到夏天的柏油马路滚烫、冬日的寒风刺骨，甚至我们发烧时体温的升高，这些现象都在向我们传递着物体冷热程度的信息。日常生活里的很多体验本质上都和温度的变化息息相关。温度不仅仅是感官上的“热”或“冷”，实际上，它揭示了物体内部分子的运动有多剧烈。更深入一点，温度的变化常常伴随着热量的传递：比如把热汤倒进冷碗里，汤会变凉，碗会变热，这其实是热量从高温物体传递到低温物体的过程。

物理学家在研究温度时，不仅探究如何用科学的方法精确地测量这一物理量，还关注热量在不同物体之间是以什么方式流动的，以及人们如何运用这些原理进行保温、制冷或者散热。比如，保温瓶能长时间保存热饮，冰箱能够保持食物新鲜，空调可以调节室内温度，这些日常设备都应用了温度与热量传递的知识原理。温度的研究在建筑节能、医疗诊断、工业生产、环境监测等领域也有着极为重要的现实意义。借助对温度和热传递的掌握，我们不断改善着生产和生活条件，让人类社会更为便利和安全。

温度的概念与测量

温度描述的是物体的冷热程度，本质上反映的是物体内部分子运动的激烈程度。

温度与分子运动

物体是由大量分子（或原子）构成的，这些分子时刻都在做无规则运动。分子运动越剧烈，物体温度就越高；分子运动越平缓，物体温度就越低。热开水中的水分子运动比冷水中要剧烈得多，这正是热水温度高于冷水的微观原因。

温度计的种类与原理

温度计是测量温度的工具，常见温度计的构造和测量原理各不相同：

液体温度计的正确使用

以实验室常用的酒精温度计为例，正确的使用方法分三步：

第一步，把温度计的玻璃泡完全浸入被测液体中，不要碰触容器的底部和侧壁，否则测到的是容器温度而非液体温度。

第二步，等温度计的示数不再变化后再读数——这需要等温度计本身与被测液体充分换热，达到热平衡，通常需要等待几十秒。

第三步，读数时视线要与温度计液柱的顶端保持水平，不能仰视或俯视，否则读出的数值会产生偏差：

体温计是一种特殊的液体温度计，测量范围通常是 $35\ \text{℃}$ 到 $42\ \text{℃}$。在毛细管与玻璃泡之间有一段缩口，液柱离开人体后不会自动回落，因此可以拿出来再慢慢读数。使用前需要握住上部用力甩几下，把液柱甩回玻璃泡中。

摄氏温标与热力学温标

温度的数值大小取决于所用的温标，也就是温度的度量体系。目前最常用的有摄氏温标和热力学温标（开尔文温标）。

摄氏温标

摄氏温标由瑞典科学家摄尔修斯（Celsius）提出，以标准大气压下冰水混合物的温度为 $0\ \text{℃}$，以沸水的温度为 $100\ \text{℃}$，在两者之间均匀划分 $100$ 等份，每份为 $1\ \text{℃}$。摄氏温度用符号 $t$ 表示，单位是摄氏度（℃）。

下表列出了生活中几个常见的摄氏温度参考值：

热力学温标（开尔文温标）

热力学温标是国际科学界使用的基本温标，由英国物理学家开尔文（Kelvin）提出。它以绝对零度（分子热运动完全停止的理论最低温度）为起点，用 $0\ \text{K}$ 表示。热力学温度用符号 $T$ 表示，单位是开尔文（K）。

热力学温度与摄氏温度的换算关系为：

$T = t + 273\ \text{K}$

或反过来：

$t = T - 273\ \text{℃}$

热传递的三种方式

当两个温度不同的物体相互接触，或同一物体内部温度不均匀时，热量会自发地从温度高处流向温度低处，直到温度相同为止——这个过程叫做热传递。热传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。

热传导

热传导是热量通过物体内部（或相互接触的物体之间），由高温处向低温处传递的方式，不涉及物质的宏观移动，只是热量在材料中的“流动”。

不同材料传导热量的能力差别很大。通常把导热能力强的材料叫做热的良导体，导热能力弱的材料叫做热的不良导体：

冬天用手摸金属栏杆，感觉比摸木头凳子冷得多，但两者实际上处于相同的室外温度。这是因为金属导热性强，手的热量被金属迅速传走，导致手表面温度快速下降，产生了“更冷”的感觉。

对流

对流是热量通过流体（液体或气体）的流动来传递的方式。被加热的流体密度减小，向上浮动；温度低的流体密度较大，向下沉，补充到被加热区域——这种由温度差引起的流体循环，就是对流。

在烧水时，底部的水被加热后密度减小向上流动，上层较冷的水向下补充，整个水体形成循环流动，使热量扩散到整锅水中。暖气片工作时，对流使整个房间的空气温度逐渐均匀，这是典型的气体对流：

热辐射

热辐射是物体以电磁波（主要是红外线）的形式向外传递能量的方式。辐射传热不需要任何介质，在真空中也能传播。

所有物体都会向外发射热辐射，物体温度越高，辐射能力越强，辐射出的能量越多。太阳通过辐射把能量传递到地球，就是热辐射跨越真空传播的典型例子：

日常生活中的保温与散热

了解热传递的三种方式，就能理解日常生活中各种保温和散热设计的原理。

保温的原理与设计

保温就是尽量减少物体与外界之间的热量交换，让温度维持更长时间。要达到保温效果，就需要同时抑制传导、对流和辐射三种传热方式。

暖瓶（热水瓶）是保温原理的经典应用。它的夹层是真空层，能同时阻断传导和对流；内壁镀有银色反光膜，能大幅减少热辐射的散失。三道防线共同作用，使热水能在暖瓶中保温长达数小时：

冬天穿棉衣保暖，原理并不是棉花本身能产生热量，而是棉花和羽绒的纤维中包裹着大量静止的空气，空气是热的不良导体，大大降低了人体与外部冷空气之间的热传导速度。

散热的原理与应用

散热与保温相反，目的是尽快把多余的热量传递出去，防止物体过热损坏。良好的散热设计同样需要从三种传热方式入手。

计算机处理器（CPU）在高速运算时会产生大量热量，必须及时散热，否则过热会导致性能下降甚至损坏。CPU 散热方案包括：铜制散热片（利用铜良好的导热性迅速把热量从芯片表面导出）、风扇（利用强制对流把热量带走）以及散热片表面的黑化处理（增强辐射散热）：

练习题

选择题

第1题　在使用液体温度计读数时，视线与液柱的正确关系是（　　）

A. 仰视，使视线从下方斜穿刻度　　B. 俯视，使视线从上方斜穿刻度　　C. 视线与液柱顶端保持水平　　D. 视线垂直于温度计刻度线即可，无需与液柱顶端对齐

第2题　将摄氏温度 $t = 0\ \text{℃}$ 换算为热力学温度，结果是（　　）

A. $0\ \text{K}$　　B. $-273\ \text{K}$　　C. $273\ \text{K}$　　D. $373\ \text{K}$

第3题　冬天用手摸金属栏杆，感觉比摸木头凳子冷得多，但两者实际温度相同（都是室外气温）。造成这种感觉的主要原因是（　　）

A. 金属的温度比木头低　　B. 金属的导热性比木头强，手的热量被金属更快带走　　C. 金属表面更光滑，与手的接触面积更小　　D. 金属密度更大，内部储存的冷量更多

第4题　下列热量传递的例子中，主要依靠对流方式传热的是（　　）

A. 用手握住热杯子，手感到温热　　B. 阳光照射到地面，地面温度升高　　C. 暖气片加热后，整个房间的空气温度逐渐均匀　　D. 用铁锅底部直接加热食物

计算题

第5题　某同学用温度计测量一杯热水的温度，温度计的示数为 $t = 68\ \text{℃}$。

（1）这杯热水对应的热力学温度是多少 K？

（2）水自然冷却到室温 $t_0 = 23\ \text{℃}$，温度降低了多少摄氏度？对应的热力学温度降低了多少 K？两者是否相同？

第6题　一杯 $100\,^\circ\mathrm{C}$ 的开水放在室温 $20\,^\circ\mathrm{C}$ 的环境中向外散热。设该杯水的散热功率（单位时间内散失的热量）与水温和室温的差值成正比，比例系数为 $k=2\,\mathrm{J/(s{\cdot}^\circ C)}$。

（1）当水温为 $100\,^\circ\mathrm{C}$ 时，散热功率是多少瓦（W）？

（2）当水温降至 $60\,^\circ\mathrm{C}$ 时，散热功率变为多少瓦？

（3）根据以上计算，说明为什么开水冷却的速度会越来越慢。

知识点：散热功率与温差的关系；热传递速率受温度差影响。

热水的热力学温度为 $341\ \text{K}$。

（2）水温降低的摄氏度数：

$\Delta t = 68\ \text{℃} - 23\ \text{℃} = 45\ \text{℃}$

冷却后热力学温度为：

$T_0 = 23 + 273 = 296\ \text{K}$

热力学温度降低量：

$\Delta T = 341\ \text{K} - 296\ \text{K} = 45\ \text{K}$

两者完全相同。摄氏温度和热力学温度的每一度间隔相同，因此温度的“变化量”在两种温标下数值一致。

知识点：摄氏温标与热力学温标的换算；温度变化量在两种温标中的一致性。

散热功率：

$P_1 = k \times \Delta t_1 = 2\,\mathrm{J/(s{\cdot}^\circ C)} \times 80\,^\circ\mathrm{C} = 160\,\mathrm{W}$

（2）水温降至 $60\,^\circ\mathrm{C}$ 时，与室温的差值：

$\Delta t_2 = 60\,^\circ\mathrm{C} - 20\,^\circ\mathrm{C} = 40\,^\circ\mathrm{C}$

散热功率：

$P_2 = k \times \Delta t_2 = 2\,\mathrm{J/(s{\cdot}^\circ C)} \times 40\,^\circ\mathrm{C} = 80\,\mathrm{W}$

（3）水温越接近室温，两者温差越小，散热功率越低，每秒散失的热量越少，冷却速度因此越来越慢。$100\,^\circ\mathrm{C}$ 时散热功率为 $160\,\mathrm{W}$，而降至 $60\,^\circ\mathrm{C}$ 时仅为 $80\,\mathrm{W}$，减少了一半——这就是为什么开水从沸腾到温热的这段时间里冷得相对快，从温热到室温却需要很长时间的原因。