没有测量气温的仪器该怎么测量气温?
没有仪器只能用观测方法,不同的场地气温也不一样所以参考标准不一样,比如海洋,空旷的平地,室内室外等,需要用一定的专业知识反复推算来减少误差最终推算出当前场地的气温。
观测方法有上百种,你可以根据自身的需求参考一些资料自己慢慢推算。
感谢邀请,这个实在不懂
宇宙中的最低和最高温度是怎么测出来的?
宇宙中的最低和最高温度是怎么测出来的?
温度是人们为了衡量物体组成微观粒子运动程度,在宏观方面表现出冷热程度的一个标量,比如以人身体的温度为界限,在相应皮肤感受器的感知作用下,当外界环境低于人体的温度,则热量会由身体向环境中散失,皮肤感受器就觉得冷,相反就会觉得热。而从宇宙空间更大的宏观尺度上来看,对于温度来说,也存在着由上限和下限区间所圈定的一个阈值。
从温度的本质上看,它反映的是组成物体的微观粒子平均动能高低,也就是运动的剧烈程度。微观粒子运动越剧烈,那么其平均动能也越高,对外表现则温度越高;而如果在外界输入能量或者热量转移的情况下,物体的温度升高,则也会推动微观粒子运动速率和频率的提升,从而粒子的振动、摩擦和碰撞几率也越高,在一定程度上响应着温度升高所带来的影响。
我们在测量一个物体的温度时,这个数值反映的是这个物体整体的物理状态,而并非个别粒子或者局部粒子的平均动能,在热力学中,对于理想气体来说,在一个封闭系统中,所有气体分子的平均动能与热力学温度之间存在着一个正比的关系,这个比例被称为玻尔兹曼常数。
既然温度反映的是微观粒子的运动剧烈程度,那么就会存在着粒子运动速度的一个上限和下限,分别对应着宇宙中理论上的最高温和最低温。而粒子运动速度的最高值则为光速,最低值为零,在这两种极端的情况下,是如何推导出来最高和最低温的呢?
首先来看一下最高温度。我们可以先计算出一个封闭系统中理想气体分子的平均动能为:E=3k*T/2=1/2*mv^2,其中k为玻尔兹曼常数,值等于1.38*10^(-23)J/K。继而可以推导出一个物系的温度表达式为:T=2mv^2/(3k)。可以看出,当粒子的速度v为光速时,物系的温度取决于物体的质量,我们可以计算出电子的电高温度级别为20亿K,质子的最高温度为400万亿亿K。然而这个温度还不是理论上最高的,因为在物理学领域,有一个定义就是粒子的康普顿波长与其史瓦西半径的比值,被称为普朗克质量,当粒子的质量达到普朗克质量时,其理论上的最高温度值的计算结果为1.4*10^32K,这个温度也被称为普朗克温度,是宇宙大爆炸的瞬间所产生的极高温度,目前来说仅在理论上存在这个温度,无法再现也无法进行测量。
再看一下最低温度。根据前面理想气体的温度与粒子速度、质量之间的关系式T=2mv^2/(3k),我们如果将速度值确定为0,那么得到的热力学温度将是0K,但是我们在现实中是不可能使粒子的速度变为0的,那么,热力学温度为0K时对应的绝对温度-273.15摄氏度是怎么来的呢?这里主要应用的就是理想气体的体积与温度之间的对应关系,科学家们通过反复的实验,得出这个对应的关系为p*V=n*R*(Tc-b),这个计算式出p为气体的压力,V为体积,n为气体量,R为理想气体常数,Tc为摄氏温度,b为开尔文温度与摄氏温度的差值。科学家们在反复进行理想气体体积和温度外推实验以后,最终得出了非常精确的理想气体常数,然后绘制出了理想气体的体积-温度对应直线图,从而计算出了b值为-273.15。
从以上分析可以看出,无论是理论上的最高温度和最低温度,实际上在现实宇宙中都是无法达到的。在宇宙大爆炸之后,随着空间的不断扩张,实际上整个宇宙空间的温度是不断冷却的,而由于宇宙空间中都或多或少地存在着大爆炸之后所残留的痕迹,即宇宙微波背景辐射,宇宙空间也得以在极其稀薄的物质组成条件下,被这些微波背景辐射所“加热”。科学家们正是利用这些微弱的电磁波在穿过气体云之后,气体分子会吸收一定量的辐射能量,因此科学家们利用这些证据可以计算出气体的温度,宇宙背景温度3K也就是这么得来的。
宇宙背景温度3K其实并不是宇宙中的最低温度,智利的天文学家团队在“回力棒星云”中测量出了1K的低温,仅比绝对温度高出1度,是迄今为止科学家发现的宇宙“冷极”。
而对于宇宙中的高温测量,科学家们主要围绕恒星来展开,其中比较简单的方法就是利用接收到的恒星发出来的光谱型来测量恒星表面的温度,不过这个方法比较初级,得到的数值仅是一个区间,精确度不高。另外两种比较复杂的方法,一个是黑体辐射测量法,通过黑体辐射的维恩位移定律,测算出辐射的峰值,然后倒推辐射源的温度。
另一种方法是利用恒星真实光度与温度之间的关系式:L=4π*R^2*σ*T^4进行计算,其中L为恒星真实光度,R为恒星半径,σ为斯特凡-玻尔兹曼常数,T为温度。截至目前,科学家们发现温度最高的恒星为人马座的沃尔夫·拉叶星(WR102),其表面温度值达到了惊人的21万K。
宇宙中的最低和最高温度是怎么测出来的?
科学家告诉我们,绝对零度是无法达到的,然后由又告诉我们宇宙中还有一个最高的普朗克温度,当然那更不可能达到了,既然现代宇宙中都不存在这样的温度,那么这个温度是这么测量出来的呢?
绝对零度和普朗克温度的来历中学就有温度的准确定义:微观粒子的运动在宏观中的表现,粒子的运动速度越低,那么它的温度也就越低,因此绝对零度的定义就是当物质的微粒运动速度等于零时,温度就达到了最低,也就是是绝对零度!
这个微观粒子不运动的温度是-273.15℃,也就是K氏温标的0K,家里的冰箱就能轻易达到零下十几度,干冰可以达到-78.5℃,液氮可以达到-196℃,但使用介质带走热量这种方式不可能无限下探,因为根据你无法通过有限次循环达到和介质一样的温度,而介质本身也不可能低于绝对零度!
因此绝对零度-273.15℃只是一个计算值,它不是通过测量得出的,而是根据科学的计算得到这个温度,不过比较有趣的是,假设微观粒子不运动这种方式还催生了一种新的制冷方式,也就是激光多普勒效应制冷,即利用激光频率的多普勒效应来让原子无限接近“停止”运动,以此来达到宇宙中最低的温度,国际空间站的冷原子云实验达到了宇宙中最低的温度:-273.1499999999 ℃,但距离绝对零度仍然有一步之遥!
普朗克温度的来历
粒子停止运动就是最低温度,那么当粒子最高速度运动时就是最高温度了,没错,物理世界就是这么暴力!而这个速度的上限就是光速,普朗克温度就是假设粒子在运动速度达到光速时的温度,这个温度为:
普朗克温度的计算
什么时候会达到这个条件呢?宇宙大爆炸前的奇点,当宇宙中所有物质都坍缩在一个奇点内时,运动速度达到了最高,所以这次事件发生在138.2亿年前,我们同样无法测量,当然也根本没有这样的工具可以测量。
太空中温度很低吗?
这是一个非常有趣的问题,其实并能以这种方式来形容,我们上文说了,温度的表现就是微观粒子的运动造成的,太空中,也就是接近真空,每立方厘米可能原子的数量最多也就几十个氢原子,太阳辐射可以让它们的温度升高很多,但它们却难以表现成宏观的温度,因为总量太少了!
所以在大气层距离地面大约80千米到500千米左右这一层的空间,有一个热层,此处的大气温度因为受到太阳辐射中的高能粒子轰击,温度可达上千度,但因为其密度太低了,因为公认的太空是在100千米的卡门线以上,所以说太空的温度这样形容是不太合理的。
宇宙中最低温度的地方当然上文我们已经说明了宇宙中温度最低的地方是国际空间站上的冷原子云实验室,它达到了宇宙中最低的温度:-273.1499999999 ℃,但这是人工实现的!而宇宙中真的存在一个最接近绝对零度的地方!
在半人马座的方向上,距离地球5,000光年的一个回力棒星云 ,经过天文学家的测量,它的温度只有1K,也就是−272.15°C,只比绝对零度高出1K,回力棒星云是从一颗恒星的核心逃逸的气体形成的,由于其扩散速度高达164千米/秒,因此这是它温度下降过快的原因。
1998年,哈勃太空望远镜拍摄了回力棒星云的详细影像。认为这个星云是正朝向行星状星云阶段发展中的一颗恒星或恒星系。