(2)温度
温度是表征物体冷热程度的物理量,也是国际单位制中的七个基本量之一。人类的日常生活和生产实践活动都与温度有着密切关系。历史上曾有过多种温度量值的表示方法。第十届国际计量大会(CGPM)首次定义热力学温度的单位为开氏度,符号为°K,1967年第十三届CGPM决定改为开尔文,符号为K。现在通用的是摄氏度T(℃)和开尔文θ(K)并存,习惯上在0℃以上用℃表示, 0℃以下用K表示。
热力学温度的测定是一切温度测量的基础。由于温度是在热平衡条件下被定义的,人们只能做到趋近而不可能达到理想情况,因此,测定热力学温度非常复杂和困难。在实际温度测量时,往往并不要求温度测量的准确度很高,更多的是希望具有较高的重复性。通常采用对不同的温度定量地赋以不同的值的方法,称为温标。经国际间协商统一后形成的定义温度的程序称为国际温标。它不仅给科学和工业的温度测量提供了共同的基础,而且有比较好的重复性,除专门从事热力学温度测量的研究工作外,其他领域内的温度测量均来自国际温标。这样不仅简单易行,而且所定义的温度值与热力学温度的近代测定值相近,复现性又较高。
由国际温标定义各温度值,应具备三个要素(即“温标三要素”):
一是固定点:规定一系列纯物质(气体或金属)的相平衡态(液固气共存的状态)为定义固定点,并赋以接近热力学温度测定值的温度值;如水三相点定义为273.16K,银凝固点为961.78℃。(℃和K)
二是内插仪器(测温仪器):因为固定点只给出了一个点的温度值,要想在每一点都实现温度测量就需要有一种仪器,它的特性在不同的温度下不同。如铂电阻温度计,当温度不同时其电阻值不同,测量其电阻值就可以知道它表征的温度了。
三是内插公式:铂电阻温度计在不同电阻值下的温度是多少呢?国际温标同样规定了任意两个固定点之间的温度的计算公式。
通过将被测的准确度水平较低的温度计与标准温度计在温度均匀性很好的恒温槽内进行比较,来实现传递。
1875年17个国家签订国际“米制公约”并建立国际计量局(BIPM)时,仅建立了国际米和千克的基准,测温技术只是作为保存铂铱米尺长度基准的一项重要分支。但为了统一各国米的长度值,就必须统一温度值,建立统一的温标。当时,美国国家标准局(NBS,现改为NIST),英国(NPL)和德国的(PTR,现改为PTB)做了大量的准备工作,经BIPM和有关国家实验室讨论和协商,终于在1927年诞生了世界上第一个国际温标ITS-27(International Temperature Scale-1927)。以后基本上每二十年修改一次,先后有ITS-48,IPTS-68和ITS-90。目前使用的是1990年国际温标(ITS-90)。它是在IPTS-68温标的基础上修订而成。ITS-90温标所定义的温度值T90(或t90)非常接近于制订温标时的热力学温度测定值或最佳估计值。
1990年国际温标ITS-90的内容,概括起来主要有以下几点:
0.65~5.0K之间,用3He蒸汽压与温度间的关系式来定义温度值;
3.0K到氖三相点(24.5561K)之间,用氦气体温度计、使用三个定义固定点和规定的内插方法来定义各固定点之间的温度值;
平衡氢三相点(13.8033K)到银凝固点(961.78℃)之间,用铂电阻温度计、使用一组定义固定点(如水三相点等)和规定的内插方法来定义各固定点之间的温度值;
银凝固点(961.78℃)以上,使用一个定义固定点和规定的内插方法来定义固定点之间的温度值。
国际温标的产生是国际上为了统一温度量值而制定的协议,它也反映了当时温度测量的水平。这一国际协议一经BIPM确定,并经CGPM批准,各成员国就应当遵照执行,即应按照国际温标规定的程序来定义温度,以建立自己的国家温度基准。
所谓复现国际温标,实际上就是按照国际温标规定的程序来定义温度数值。具体地说,就是使用规定的测温仪器(如铂电阻温度计),将其安置在固定点的复现装置中,设法再现所规定的固定点的物体状态(如纯气体三相平衡态,或纯金属固
液相平衡态),此时对应的温度即为该固定点的温度(其值由温标给定)。在该温度下测出测温仪器的某一物理特性(如铂电阻温度计的电阻值),在获得了温标规定的各定义固定点温度对应的数值后,按规定的内插方程就可获得定义固定点之间的温度值。这种按照国际温标规定的程序来定义温度的过程,就是复现国际温标。这样就在测温仪器上保存了所定义的温度值,一台或数台测温仪器就构成为国家基准组,所保存的温度值即为温度国家基准。全国各行各业温度测量中的温度值都溯源于温度基准。
一个国际温标能否被接受,取决于它是否能满足工业和科学技术发展的需要。从建立第一个国际温标UTS-27开始,随着工业和科学技术对温度测量要求的提高,对国际温标作了一次又一次的修订,直到1990年颁布ITS-90温标。在每次国际温标修订之后或在修订过程中,都会发现一定的缺陷和不足之处,于是国际上从事温度计量的科学家又开始了新的修订国际温标方面的研究工作。就最新的国际温标ITS-90来说,按它所定义的温度值非常接近当代热力学的温度测定值,对工业测量来说,基本上已能满足要求,但对于科学测量而言还有改进的必要。因此,一方面要利用现代的高科技进一步提高热力学温度测定的准确度;另一方面要设法减小热力学温度之间的差值,改善其光滑性。最新的研究主要集中在以下几个方面:温标下延至1mK,用噪声温度计、低温辐射计法进行热力学温度的绝对测量,
至于国际温标存在的必要性,目前看来可能还要持续一段时间,主要取决于热力学温度测定的发展状况,当科学技术能发展到使得热力学温度的测定变得比较简单易行,且其复现性与最好的次级温度计(如铂电阻温度计)的复现性一样时,国际温标存在的必要性可能就不大了,那时就可能直接采用基准测温法来定义温度值。