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温度的本质是什么?人触摸物体时是如何感受到物体的温度的?

(2017-04-19 14:08:23)
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分类: 知识•历史

温度的本质是什么?人触摸物体时是如何感受到物体的温度的?

 

要想理解温度的概念,应该先抛掉我们在日常生活中由对冷暖的感知而获得的对温度的理解。

从纯粹物理的角度来说,温度是一个统计意义上的概念它是一个系统中全部分子的平均动能(平均动能和温度之间只差一个常系数)。温度越高(平均动能越大),系统内部就越“热闹”。

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图1. 温度是系统成分的平均动能。

既然温度是系统的“平均动能”,那么这个系统不管是一个分子,还是1023个分子;是微波背景(空间中弥漫的电磁波),还是黑洞——只要其成分具有动能,我们都可以定义出它的“温度”。只不过对于成分较少的系统,例如只有几个分子的系统,定义温度的概念是没有太大意义的;只有当我们需要在统计意义上研究系统时,温度的概念才有必要性。

从这个角度来理解热力学第三定律的“绝对零度不可达到”,其实直白了说就是,在物理现实中一个系统的平均动能不可能等于零。

上面这些是从微观角度来考虑的,但在我们日常应用中不可能把所有分子的动能都加起来然后平均一下来算一杯水的温度。那怎么办呢?就像量一张桌子需要一把尺子一样,我们也需要一把测温的“尺子”。以我们熟知的摄氏温标为例吧,这把温度标尺的定义是:在标准大气压下,把(例如)水银柱放在水中,选水的冰点时(严格来说,应该是纯水的三相点)水银柱的高度为0度,沸点时的高度为100度,等分100份,每等份为1度。其他(像华氏温标、热力学温标)的定义都与之类似,建立任何一种温度的“尺子”,都需要三个要素:测温物质(水银)、测温属性(水银的膨胀)、固定标准点(水的冰点和沸点)。

当考虑到我们对温度的感觉时情况就变得比较复杂了,因为“冷”、“暖”只是我们的感觉经验,而我们的感觉经验受很多因素的影响。例如皮肤表层有没有神经细胞、神经细胞的密度、细胞兴奋的时间、不同神经细胞感知到的温差、空气湿度、风速等。对于前几种在此不再讨论,详细内容可以查看心理学的相关知识,这里只说后两种。

风速会影响与人体皮肤接触到的空气量。当风速增加时,与人体所接触的空气会增加,其所带走或带来的热量相应地增加,这现象便是“风寒指数”。如图所示,当风速达到20m/s时,空气温度为4度,但我们的感觉却在零下。所以夏季微风会更凉爽(要确保空气温度低于你的体温,否则会相反)。

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图2. 风寒指数

而另一方面,人体通过排汗来降温,汗液蒸发带走人体热量。但是当空气的湿度较高时,水分的蒸发率就会降低。这意味着散热变慢,相对处于干燥空气中的情况,人体内就保留了更多的热量。这种现象称为“酷热指数”。

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图3. 酷热指数

综合风速和空气湿度给人对温度所带来的影响,将风寒指数和酷热指数合成为一个词:体感温度。

从上面的回答可以看出,物理中的温度和生活体验中的温度差别还是很大的。所以似乎得出一个结论就是,学习物理就要忘掉日常经验。

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图4.  一张展示了长期全球月平均地表大气温度平均值的地图。



http://chuansong.me/n/1767839649917

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