你说的冷是什么冷，你说的热是什么热？

大家好哇

小虾我又出现啦

之前两期分别讲了

水的热缩冷胀（👈点我）

冬季裸奔保暖问题（👈点我）

都是和温度相关的话题

但是，“温度”到底是什么呢❓

书上说

温度是表示物体冷热程度的物理量

人体是有冷热感觉的。判断一个物体冷热最简单的方法就是用手摸一下。

但是，这种判断方法并不一定可靠。比如：

1

把左手放入一盆冰水，会感觉冷；

右手放入一盆热水，会感觉热（注意不要烫伤自己！）；

几秒钟之后，把两只手都拿出来，并放入同一盆温水，

神奇的事情发生了：

刚从冰水里拿出来的手会感觉热，而刚从热水里拿出来的手会感觉凉！这明明是同一盆水！

这是因为人皮肤里的温度感受器不能感受温度本身，只能感受温度的变化。放入同一盆温水中的两只手初始温度不同，所以感受不同。

2

数九寒天在室外用手触摸铁器（触摸即可，别舔）和木柄，则感觉前者比后者冷。

其实二者温度一样，感觉不同是导热性能的差异造成的。

所以说，温度需要有客观的测量手段。说白了就是温度计啊。

○伽利略验温器。左：实物图，来自佛罗伦萨摄影档案馆。右：原理图，emmm……小虾手绘……

历史上最早的温度计是由伽利略在1600年前后发明的。他将一个一端连有玻璃泡，一端开口的细玻璃管倒插在盛有染色水的容器中。

水位的高低就表示着“热度”（当时还没有温度的概念）：“热”的时候，玻璃泡内的空气膨胀，细玻璃管中的水位降低；“冷”的时候，玻璃泡内的空气收缩，细玻璃管中的水位升高。

思考：玻璃管内的液面高于容器中的液面，这是如何做到的❓

点击下方空白区域查看答案

▼

用手把玻璃泡捂热，玻璃泡内空气受热膨胀，排出一部分。

然后将玻璃管插入水中，再把手松开。

玻璃泡中的空气自然冷却到室温时收缩，将水吸入玻璃管中，玻璃管中的液面就比容器中液面高了。

伽利略的装置没有刻度，而且受气压影响，很不精确，因此说不上是温度计，只能叫“验温器”。之后不断有人改进温度计的设计。

○现代酒精温度计，图片来自三体网谢顿。

现在很常见的酒精温度计——一端是装有染色酒精的玻璃泡，另一端封闭，通过酒精的热胀冷缩指示温度，不受外界气压影响——其实在17世纪就有了，只是那个时候的温度计还没有统一的刻度……

○我读书少你别耍我

确实没有，那时候温度计的刻度都是瞎标的。

直到1714年，从德国迁居荷兰的华伦海特（G. D. Fahrenheit，与“飞轮海”同名）发明了水银温度计，并建立了世界上第一个“温标”：华氏温标。单位是“华氏度”，记作℉。

○标有华氏度的现代水银温度计，图片来自Quora。华伦海特发明的水银温度计精度远高于从前，他的设计一直沿用至今。但他的华氏温标嘛……

华伦海特起初规定盐水混合物的冰点为0℉（据说是为了避免温度出现负数），把人的正常体温定为96℉，后来又添了2个固定点：纯净无盐的冰水混合物的温度为32℉、大气压下水的沸点为212℉。现今使用的华氏温标只保留后两个标准点。

顺便说一句：目前只有美国、开曼群岛、伯利兹等极少数国家仍以华氏温标为法定计量单位

○瑞典发行的纪念摄尔修斯的邮票，图片来自中国数字科技馆。

现在广泛应用的摄氏温标（单位℃）是由瑞典天文学家摄尔修斯（A. Celsius）于1742年建立的，在建立之初，它比华氏温标更反人类：规定水的冰点为100℃，沸点为0℃，越热温度数值越小……

好在当时大部分科学家和温度计制造商是正常的，把温标改成了冰水0℃，沸水100℃，这才是我们今天使用的摄氏温标。

上述两种温标都具有三个要素：测温物质、测温属性和固定标准点，被称为经验温标。华氏度和摄氏度在定义时都是以酒精或水银作为测温物质，用它们的体积作为测温属性，固定标准点是水的冰点和沸点。其余的温度通过温度计上均匀的刻度得到。

物质的测温属性的选择其实远不止酒精和水银的体积，气体的体积或压强也可以，只要想办法消除大气压的影响；金属的电阻也是很好的测温属性，适用于很低到很高的温度。

假设各种不同的温度计，都按水的冰点和沸点标定0度和100度，那么每个温度计都显示50度的时候，它们的实际温度相同吗❓

或者说，有一盆水，用水银温度计测量的结果是50度，那么，用同样标准标定的氢定体温度计（固定氢气的体积，用压强的变化指示温度）和铂电阻温度计，测量的结果也正好是50度吗❓

答案是否定的。测量同一盆水，如果水银温度计显示50.0度，那么氢定体温度计会显示50.1度，铂电阻温度计则显示49.7度。

○那还要你何用

也就是说，温度的测量值会受测温物质的影响。

那么

有没有一种不受测温物质影响

放之四海皆准的温标呢❓

答案是有。

大量实验表明，如果气体变得足够稀薄（压强趋于零），任何种类的气体都会具有相同的热膨胀率，这样的气体叫做理想气体。

实验规律预测，理想气体会在-273.15℃时体积变为0（这种情况是不可能实现的，因为实际气体在降温过程会中液化甚至固化，不再保持理想气体的性质）。

用理想气体定义的温标叫做理想气体温标，理想气体体积为零的温度叫做绝对零度。

理想气体温标已经不再依赖于某种特定物质的测温属性，但是真正与物质测温属性无关的温标是英国物理学家威廉 · 汤姆逊（即开尔文勋爵）于1848年根据热力学第二定律建立的热力学温标。

其实热力学温标与理想气体温标在数值上是相等的，只是定义方法不同。它们的单位是“开尔文”（K），以绝对零度为零点，每一度的间隔与摄氏度相同，即

0℃=273.15K

100℃=373.15K

不管怎么着，现在我们有了一种绝对的温度标准，感觉仿佛一切都没毛病了。下面有请杠精同学（由小虾客串）：

“ 

热力学温标，没有测温物质，如何测温❓

”

其实热力学温标可以用理想气体温度计来实现，但是制作理想气体温度计在技术上十分困难。为了统一温度计量，国际上采用一种方便实现的协议性温标。现今通用的是“1990年国际温标（ITS-90）”。

在ITS-90中，0.65K到5.0K之间的温度用He的蒸汽压与温度的关系来定义；由3.0K到氖的三相点（24.5561K）之间用氦气体温度计来定义；平衡氢三相点（13.8033K）到银的凝固点（961.78℃）之间用铂电阻温度计来定义；银的凝固点（961.78℃）以上用普朗克辐射定律来定义……

你们看

办法是有的

不过

咱还是乖乖用温度计吧

那么问题又来了：

“ 

为什么温度计能测量温度❓

”

先让我的秀发飘一会儿

……

是这样的：

当我们用温度计测温度的时候，要把温度计怼在被测物体上，使温度计和物体之间发生传热，热的变冷，冷的变热，一段时间后，它们便不再发生变化，这时，我们说它们达到了热平衡。

我们定义互相达到热平衡的物体温度相同，不管它们是不是温度计。如果碰巧有一个是，那么恭喜你，完成了一次测温操作🌡

但是这个定义有一个小小的漏洞，那就是：两个东西不怼一块就不知道是不是温度相同！让我们来补上这个漏洞：

假设我用体温计测量了A同学的体温：

反手又用同一支体温计测量了B同学的体温（操作规范，测之前体温计已甩到位）：

那么我可以断定：假如A同学和B同学怼在一块，谁也不会觉得谁更烫一些。

当然，这不是我的主观判断，而是大量实验现象的总结。

这就是传说中的

“热力学第零定律”

用严谨一点的语言就是：在与外界影响隔绝的条件下，如果物体A、B分别与处于确定状态下的物体C达到热平衡，则物体A和B也是相互热平衡的。

引入了热力学第零定律之后，“温度相同”的标准就不再局限于直接怼在一块，而是一个可传递的标准，从此我们就可以愉快地用温度计测量温度了。

此定律还为不同的经验温标之间的校准提供了准则，温度计制造商们就可以绝望地用“1990年国际温标”校准自己的温度计啦哈哈哈哈哈……

补充一句：热力学“第零”定律实际上是在第一、第二定律之后提出的，但它更基本，在逻辑上先于第一、第二定律，所以插队做了“第零”

Fin

本文主要参考了赵凯华、罗蔚茵《新概念物理教程 · 热学》（第二版）。

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