溫度  溫標  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，對溫度只能作出粗略估計，有時還會因錯覺而使估計有誤。因此，需要客觀地、準確地測量與人類生存和發展關系密切的各種物體的溫度。
    兩個冷熱程度不同的物體相接觸時，必然會產生熱交換，經過一段時間，最后達到共同的熱平衡狀態。這些達到熱平衡的物體，被稱為具有相同的溫度。而溫度就是描述這個共同熱狀態的熱力學參數。溫度也正是根據這一基本定律來進行測量的。從微觀的意義上說，一個物體的分子運動愈激烈，則其具有的溫度就愈高，即溫度是與大量分子的隨機動能成正比的。在統計力學中，溫度的概念是以麥克斯韋和玻耳茲曼熱平均系統中分子速度或能量分布的表達式為基礎的。
    兩個溫度之間只有相等與不等的關系，說這個溫度(比如100℃)是那兩個溫度(比如30℃和70℃)之和，顯然是毫無意義的。因為溫度是一個強度量而不是廣延量，所以不能象長度、重量或容量那樣進行疊加。
    為了定量地描述溫度，必須建立溫度的量值表示方法——溫標。歷史上曾出現過多種不同的溫標。大家熟悉的百分攝氏溫標(單位符號℃)，是瑞典人攝爾休氏(A.Celsius)于1742年建立的。起初他以標準大氣壓下水的冰融點為100度、沸騰點為0度，并將玻璃毛細管中水銀柱的高度等分內插100格，每格定為1攝氏度。后來他的同學施托墨(M.Strmer)考慮到人們的習慣，把兩個固定點的溫度值顛倒過來，即冰點為0度、沸點為100度。這樣當水銀熱脹冷縮時上升(下降)一格表示溫度增加(減少)一度，于是構成了習慣上沿用至今的攝氏溫標。
    另一種常用的華氏溫標(單位符號為°F)，是德國人D.Fahrenheit早在1714年提出的。在他制造的水銀溫度計中，標準大氣壓下冰點為32度、沸點為212度，其間等分內插180格，每格定為1華氏度。這種溫標一直在歐美工程界廣泛使用。
    攝氏溫標和華氏溫標都是經驗溫標，它們所定義的固定點的溫度值及內插公式是人為的，其缺陷是示值與所選的工作介質(水銀、甲苯、酒精等)有關。1848年英國人開爾文(W.T.Kelvin)在卡諾循環基礎上，提出了與工作介質無關的熱力學溫標或開爾文溫標，理論上可以證明它與氣體溫標是等同的。這種溫標的原點(零點)是絕對零度，在此溫度下任何物質系統的能量將變為最小或處于基態，而分子的熱運動則完全停止或被“凍結”。絕對零度雖能無限接近，但卻不能達到，正如速度能無限接近卻達不到光速一樣。另一個固定點是1954年第10屆國際計量大會(CGPM)規定的水三相點，它的準確溫度值為273.16開氏度。1960年第11屆CGPM決定以開氏度作為熱力學溫度的SI基本單位(符號為°K)。1968年第13屆CGPM決定:熱力學溫度(T)單位的名稱為開爾文(符號為K)，它等于水三相點熱力學溫度的1/273.16。這就是說以絕對零度為原點，以水三相點為基本固定點，其間等分內插273.16格，每格即為1K。
    計量學家之所以選用水三相點，是因為它的復現性可達0.00005K，比其它溫度點要好，比方冰融點的復現性僅為0.002K。另外，水的固、液、氣三態平衡共存，此時的溫度和壓力是固定不變的，它們不會受三態相對含量變化的影響。而固、液共存時的融點、熔點或凝固點，以及液、氣共存時的沸點，它們的溫度卻均是壓力的函數。例如前述的冰融點的溫度，只有在標準大氣壓下才為273.15K。
    攝氏溫度(t)可通過移動零點來獲得，即t=T-273.15K，而其單位(℃)的大小與開爾文相等，即1℃=1K。因此根據定義，水三相點的溫度也是0.01℃。
    準確測量熱力學溫度的裝置不僅結構復雜，使用起來也很繁瑣費時。所以，計量學家們一直在探索既易于準確復現，又盡量接近熱力學溫度的一種實用溫標，它應包括一組定義的固定點、標準內插儀器(測溫物質)及內插方程。目前使用的1990年國際溫標(ITS—90)，即是從一系列早期的國際溫標演變而來的。它規定了17個定義固定點及其溫度值，規定了4個溫度范圍及其內插溫度計，還規定了固定點之間以及銀凝固點(1234.93K)以上溫度的內插方程式。我國自1991年7月起執行ITS—90，國家的高溫、中溫、低溫計量基準裝置由中國計量科學研究院研制和保存。值得指出的是，以氣體溫度計測得的水沸點為99.975℃，而并非通常認為的100℃。●