温度的本质是什么?

作者: Frions

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-04-14 10:18:18

文章讨论了温度的本质是系统中全部分子的平均动能,并解释了人体如何通过复杂的感知机制感受到温度。

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”。

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10的23次方个分子;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。

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。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”。

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”。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。

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