温度  温标  开尔文

施昌彦

人们通过自己的感觉器官与外界物体接触，形成了冷与热的概念。从定性的或宏观的意义上说，温度就是物体的冷热程度。但是单凭人的主观直觉，对温度只能作出粗略估计，有时还会因错觉而使估计有误。因此，需要客观地、准确地测量与人类生存和发展关系密切的各种物体的温度。
    两个冷热程度不同的物体相接触时，必然会产生热交换，经过一段时间，最后达到共同的热平衡状态。这些达到热平衡的物体，被称为具有相同的温度。而温度就是描述这个共同热状态的热力学参数。温度也正是根据这一基本定律来进行测量的。从微观的意义上说，一个物体的分子运动愈激烈，则其具有的温度就愈高，即温度是与大量分子的随机动能成正比的。在统计力学中，温度的概念是以麦克斯韦和玻耳兹曼热平均系统中分子速度或能量分布的表达式为基础的。
    两个温度之间只有相等与不等的关系，说这个温度(比如100℃)是那两个温度(比如30℃和70℃)之和，显然是毫无意义的。因为温度是一个强度量而不是广延量，所以不能象长度、重量或容量那样进行叠加。
    为了定量地描述温度，必须建立温度的量值表示方法——温标。历史上曾出现过多种不同的温标。大家熟悉的百分摄氏温标(单位符号℃)，是瑞典人摄尔休氏(A.Celsius)于1742年建立的。起初他以标准大气压下水的冰融点为100度、沸腾点为0度，并将玻璃毛细管中水银柱的高度等分内插100格，每格定为1摄氏度。后来他的同学施托墨(M.Strmer)考虑到人们的习惯，把两个固定点的温度值颠倒过来，即冰点为0度、沸点为100度。这样当水银热胀冷缩时上升(下降)一格表示温度增加(减少)一度，于是构成了习惯上沿用至今的摄氏温标。
    另一种常用的华氏温标(单位符号为°F)，是德国人D.Fahrenheit早在1714年提出的。在他制造的水银温度计中，标准大气压下冰点为32度、沸点为212度，其间等分内插180格，每格定为1华氏度。这种温标一直在欧美工程界广泛使用。
    摄氏温标和华氏温标都是经验温标，它们所定义的固定点的温度值及内插公式是人为的，其缺陷是示值与所选的工作介质(水银、甲苯、酒精等)有关。1848年英国人开尔文(W.T.Kelvin)在卡诺循环基础上，提出了与工作介质无关的热力学温标或开尔文温标，理论上可以证明它与气体温标是等同的。这种温标的原点(零点)是绝对零度，在此温度下任何物质系统的能量将变为最小或处于基态，而分子的热运动则完全停止或被“冻结”。绝对零度虽能无限接近，但却不能达到，正如速度能无限接近却达不到光速一样。另一个固定点是1954年第10届国际计量大会(CGPM)规定的水三相点，它的准确温度值为273.16开氏度。1960年第11届CGPM决定以开氏度作为热力学温度的SI基本单位(符号为°K)。1968年第13届CGPM决定:热力学温度(T)单位的名称为开尔文(符号为K)，它等于水三相点热力学温度的1/273.16。这就是说以绝对零度为原点，以水三相点为基本固定点，其间等分内插273.16格，每格即为1K。
    计量学家之所以选用水三相点，是因为它的复现性可达0.00005K，比其它温度点要好，比方冰融点的复现性仅为0.002K。另外，水的固、液、气三态平衡共存，此时的温度和压力是固定不变的，它们不会受三态相对含量变化的影响。而固、液共存时的融点、熔点或凝固点，以及液、气共存时的沸点，它们的温度却均是压力的函数。例如前述的冰融点的温度，只有在标准大气压下才为273.15K。
    摄氏温度(t)可通过移动零点来获得，即t=T-273.15K，而其单位(℃)的大小与开尔文相等，即1℃=1K。因此根据定义，水三相点的温度也是0.01℃。
    准确测量热力学温度的装置不仅结构复杂，使用起来也很繁琐费时。所以，计量学家们一直在探索既易于准确复现，又尽量接近热力学温度的一种实用温标，它应包括一组定义的固定点、标准内插仪器(测温物质)及内插方程。目前使用的1990年国际温标(ITS—90)，即是从一系列早期的国际温标演变而来的。它规定了17个定义固定点及其温度值，规定了4个温度范围及其内插温度计，还规定了固定点之间以及银凝固点(1234.93K)以上温度的内插方程式。我国自1991年7月起执行ITS—90，国家的高温、中温、低温计量基准装置由中国计量科学研究院研制和保存。值得指出的是，以气体温度计测得的水沸点为99.975℃，而并非通常认为的100℃。●