溫度  溫標  開爾文

施昌彥

人（rén）們通過自己的感覺器官與外界物體接觸，形（xíng）成了冷與熱的概念。從定性的（de）或宏觀（guān）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）溫度隻能作出粗略估計，有時還會因（yīn）錯覺而使估計有誤。因此，需要客觀地（dì）、準確地測量與人類生存和發展關係密切的各種物體的溫度。
    兩個冷熱（rè）程度不同的物體相接觸時，必然會產生（shēng）熱交換（huàn），經過（guò）一段時間，最後達（dá）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（běn）定律來進（jìn）行（háng）測（cè）量的。從（cóng）微觀的意義上說，一個物體的（de）分子（zǐ）運動愈激烈，則其具有（yǒu）的溫度就愈高，即溫度是與大量分子的隨（suí）機動能成正（zhèng）比的。在統計力學中，溫度的（de）概念是以麥克斯韋和玻耳茲（zī）曼熱（rè）平均係統中（zhōng）分子速度或（huò）能量分布的表達（dá）式為基礎的。
    兩個（gè）溫度之間隻有相等與不等的關係，說這個溫度(比如（rú）100℃)是那兩個溫度(比如（rú）30℃和70℃)之和，顯然是毫無意義的。因為（wéi）溫度是一個強度量而不是廣延量，所以不能象長度（dù）、重量或容量（liàng）那樣（yàng）進行疊加。
    為了定量（liàng）地描述溫度，必須建立溫度的量值表示方法——溫標。曆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)於1742年（nián）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，並將玻璃毛細管中水銀柱的高度等分內插100格（gé），每格定為1攝氏（shì）度。後來他的同學施托墨(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（wéi）0度、沸點為100度。這樣當水銀熱脹（zhàng）冷縮時上升(下降)一格表示溫度增加(減少)一度，於是（shì）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（dé）國人D.Fahrenheit早在（zài）1714年提出的。在他製造的水銀溫度計中，標準大（dà）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（fàn）使（shǐ）用。
    攝（shè）氏溫標（biāo）和華氏溫標都是經驗溫標，它們所定義（yì）的固（gù）定（dìng）點（diǎn）的（de）溫度（dù）值及內插（chā）公式是人（rén）為（wéi）的，其缺陷（xiàn）是示值與（yǔ）所選（xuǎn）的（de）工作介質(水銀（yín）、甲苯、酒精等（děng）)有關。1848年英國人開爾文(W.T.Kelvin)在（zài）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（kāi）爾文溫標，理論上可以證明它與氣體溫標是等同（tóng）的。這種溫標（biāo）的原點（diǎn）(零點)是絕對零度（dù），在此溫度（dù）下任何物質係統的能量將變為最小或處於基態（tài），而分子的熱運動則完全（quán）停止或被“凍結”。絕對零（líng）度（dù）雖（suī）能無限接近，但（dàn）卻不（bú）能達到，正（zhèng）如速度能（néng）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（guó）際計量大（dà）會（huì）(CGPM)規定的水三相點，它的（de）準確溫度（dù）值為273.16開（kāi）氏度。1960年第11屆CGPM決定以（yǐ）開氏（shì）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（de）名稱為開爾文(符號為（wéi）K)，它等於水三相點熱力學溫度（dù）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，是因為它的複現（xiàn）性可達（dá）0.00005K，比其（qí）它（tā）溫度點要好，比方冰融點的（de）複現性僅（jǐn）為0.002K。另外，水的固（gù）、液、氣三態平衡共（gòng）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（hán）量變化的影響（xiǎng）。而固、液共存時的融點、熔點或凝（níng）固點，以及（jí）液、氣共存時的（de）沸點，它們的溫度卻均是壓力的函（hán）數（shù）。例如前述的冰融點的溫度，隻有（yǒu）在標準大氣壓下才為273.15K。
    攝氏溫度(t)可（kě）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（jí）1℃=1K。因此根據定義，水三相點的溫度也是0.01℃。
    準確測（cè）量（liàng）熱力學溫（wēn）度的裝置不僅結構複雜，使用起來也很繁瑣費時。所以，計量學家們一直在探索既易於（yú）準確（què）複現，又盡量接近熱力學溫度的一（yī）種實用溫標，它應包括一（yī）組定義的固定點、標準內插儀器(測溫物質)及內插（chā）方程（chéng）。目前使（shǐ）用的1990年國際溫標（biāo）(ITS—90)，即是從一係（xì）列早期的國（guó）際溫標演變而來的（de）。它規定了17個（gè）定義固定點及其溫度（dù）值，規（guī）定了4個溫度範圍及其（qí）內插溫度計，還規定了固定點之（zhī）間（jiān）以（yǐ）及銀凝固點(1234.93K)以上溫度（dù）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製和保存。值得指出的是，以氣（qì）體溫度計測得的水沸點（diǎn）為99.975℃，而並非通常認為的100℃。●