溫度  溫標(biāo)  開爾文

施昌彥

人們通過自己的感覺器官與外界物體接觸，形成了冷與熱的概念。從定性的或宏觀的意義上說，溫度就是物體的冷熱程度。但是單憑人的主觀直覺，對(duì)溫度只能作出粗略估計(jì)，有時(shí)還會(huì)因錯(cuò)覺而使估計(jì)有誤。因此，需要客觀地、準(zhǔn)確地測(cè)量與人類生存和發(fā)展關(guān)系密切的各種物體的溫度。
    兩個(gè)冷熱程度不同的物體相接觸時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生熱交換，經(jīng)過一段時(shí)間，最后達(dá)到共同的熱平衡狀態(tài)。這些達(dá)到熱平衡的物體，被稱為具有相同的溫度。而溫度就是描述這個(gè)共同熱狀態(tài)的熱力學(xué)參數(shù)。溫度也正是根據(jù)這一基本定律來進(jìn)行測(cè)量的。從微觀的意義上說，一個(gè)物體的分子運(yùn)動(dòng)愈激烈，則其具有的溫度就愈高，即溫度是與大量分子的隨機(jī)動(dòng)能成正比的。在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中，溫度的概念是以麥克斯韋和玻耳茲曼熱平均系統(tǒng)中分子速度或能量分布的表達(dá)式為基礎(chǔ)的。
    兩個(gè)溫度之間只有相等與不等的關(guān)系，說這個(gè)溫度(比如100℃)是那兩個(gè)溫度(比如30℃和70℃)之和，顯然是毫無意義的。因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)強(qiáng)度量而不是廣延量，所以不能象長(zhǎng)度、重量或容量那樣進(jìn)行疊加。
    為了定量地描述溫度，必須建立溫度的量值表示方法——溫標(biāo)。歷史上曾出現(xiàn)過多種不同的溫標(biāo)。大家熟悉的百分?jǐn)z氏溫標(biāo)(單位符號(hào)℃)，是瑞典人攝爾休氏(A.Celsius)于1742年建立的。起初他以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰融點(diǎn)為100度、沸騰點(diǎn)為0度，并將玻璃毛細(xì)管中水銀柱的高度等分內(nèi)插100格，每格定為1攝氏度。后來他的同學(xué)施托墨(M.Strmer)考慮到人們的習(xí)慣，把兩個(gè)固定點(diǎn)的溫度值顛倒過來，即冰點(diǎn)為0度、沸點(diǎn)為100度。這樣當(dāng)水銀熱脹冷縮時(shí)上升(下降)一格表示溫度增加(減少)一度，于是構(gòu)成了習(xí)慣上沿用至今的攝氏溫標(biāo)。
    另一種常用的華氏溫標(biāo)(單位符號(hào)為°F)，是德國人D.Fahrenheit早在1714年提出的。在他制造的水銀溫度計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰點(diǎn)為32度、沸點(diǎn)為212度，其間等分內(nèi)插180格，每格定為1華氏度。這種溫標(biāo)一直在歐美工程界廣泛使用。
    攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)都是經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，它們所定義的固定點(diǎn)的溫度值及內(nèi)插公式是人為的，其缺陷是示值與所選的工作介質(zhì)(水銀、甲苯、酒精等)有關(guān)。1848年英國人開爾文(W.T.Kelvin)在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上，提出了與工作介質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)，理論上可以證明它與氣體溫標(biāo)是等同的。這種溫標(biāo)的原點(diǎn)(零點(diǎn))是絕對(duì)零度，在此溫度下任何物質(zhì)系統(tǒng)的能量將變?yōu)樽钚』蛱幱诨鶓B(tài)，而分子的熱運(yùn)動(dòng)則完全停止或被“凍結(jié)”。絕對(duì)零度雖能無限接近，但卻不能達(dá)到，正如速度能無限接近卻達(dá)不到光速一樣。另一個(gè)固定點(diǎn)是1954年第10屆國際計(jì)量大會(huì)(CGPM)規(guī)定的水三相點(diǎn)，它的準(zhǔn)確溫度值為273.16開氏度。1960年第11屆CGPM決定以開氏度作為熱力學(xué)溫度的SI基本單位(符號(hào)為°K)。1968年第13屆CGPM決定:熱力學(xué)溫度(T)單位的名稱為開爾文(符號(hào)為K)，它等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。這就是說以絕對(duì)零度為原點(diǎn)，以水三相點(diǎn)為基本固定點(diǎn)，其間等分內(nèi)插273.16格，每格即為1K。
    計(jì)量學(xué)家之所以選用水三相點(diǎn)，是因?yàn)樗膹?fù)現(xiàn)性可達(dá)0.00005K，比其它溫度點(diǎn)要好，比方冰融點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)性僅為0.002K。另外，水的固、液、氣三態(tài)平衡共存，此時(shí)的溫度和壓力是固定不變的，它們不會(huì)受三態(tài)相對(duì)含量變化的影響。而固、液共存時(shí)的融點(diǎn)、熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)，以及液、氣共存時(shí)的沸點(diǎn)，它們的溫度卻均是壓力的函數(shù)。例如前述的冰融點(diǎn)的溫度，只有在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下才為273.15K。
    攝氏溫度(t)可通過移動(dòng)零點(diǎn)來獲得，即t=T-273.15K，而其單位(℃)的大小與開爾文相等，即1℃=1K。因此根據(jù)定義，水三相點(diǎn)的溫度也是0.01℃。
    準(zhǔn)確測(cè)量熱力學(xué)溫度的裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用起來也很繁瑣費(fèi)時(shí)。所以，計(jì)量學(xué)家們一直在探索既易于準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，又盡量接近熱力學(xué)溫度的一種實(shí)用溫標(biāo)，它應(yīng)包括一組定義的固定點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)插儀器(測(cè)溫物質(zhì))及內(nèi)插方程。目前使用的1990年國際溫標(biāo)(ITS—90)，即是從一系列早期的國際溫標(biāo)演變而來的。它規(guī)定了17個(gè)定義固定點(diǎn)及其溫度值，規(guī)定了4個(gè)溫度范圍及其內(nèi)插溫度計(jì)，還規(guī)定了固定點(diǎn)之間以及銀凝固點(diǎn)(1234.93K)以上溫度的內(nèi)插方程式。我國自1991年7月起執(zhí)行ITS—90，國家的高溫、中溫、低溫計(jì)量基準(zhǔn)裝置由中國計(jì)量科學(xué)研究院研制和保存。值得指出的是，以氣體溫度計(jì)測(cè)得的水沸點(diǎn)為99.975℃，而并非通常認(rèn)為的100℃?！?