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浅谈温度的历史和由来

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谈到“温度”,相信每个人都不会陌生,体温,气温,食品的温度,这些都是跟每个人的日常工作以及生活息息相关。通俗来讲,以上这些温度分别代表了人类身体的健康与否,天气的舒适与否,食物是否达到安全要求等等。作为七个SI国际单位之一的“温度”,科学研究与其密不可分。那么“温度”这个概念是从何而来的呢,它的历史起源又是怎样的呢?在国际单位制的温度标准出现之前,人们又是怎样来描述对温度的感知呢?举个通俗易懂的例子,作为一个中国人,如果你遇到一个美国人说“今天的温度很低,只有32度”你可能会心生疑问--怎么都32度了,温度还低呢?那么原因可能是,这个美国人所说的32度是32华氏度,换算成我们中国人习惯的温度单位是0摄氏度。如果今天的气温是0摄氏度,这样一说,相信你就不会感到疑惑了。通过这个例子我们不难看出,大家使用的温标不一致,在描述同样一个物体(或者物质)的温度时,会由于各自参考温标的不同而带来一定的差异,如果大家参考同一个坐标系,那么这种差异将会迎刃而解。这也就是国际单位存在的意义,统一的标准带来的是工作生活的便利性。

那么温度到底是什么?温度其实就是衡量物体冷热程度的一个物理量。从微观意义上来说,温度是分子热运动的剧烈程度。也就是说分子运动越激烈,温度越高;分子运动趋于静止,则温度越低。

上述案例中谈到温度的单位,除了华氏度和摄氏度以外,其实还有列氏度和开氏温度,其中列氏度现已基本不使用。当今世界现行的三类温标分别是摄氏温标,华氏温标以及开尔文温标。每种温标其实背后都有一位伟大的科学家,这些科学家在温度标准建立的过程中,做出了卓越的贡献和成就。

先来说说摄氏温标,摄氏温标是由瑞典的物理学家摄尔修斯所创立的,单位是摄氏度,以°C表示。摄氏温标以1个标准大气压下水的结冰点为0摄氏度,水的沸点为100摄氏度,中间分成100等份。摄氏温标采用的内插仪器是玻璃水银温度计,内插公式为t=100(h-h0)/(h100-h0)。摄氏温标为世界上应用比较广泛的一类温标。

华氏温标是由荷兰的华伦海特创立,单位是华氏度,用℉表示。华氏温标以特定浓度的盐水(包含冰、水、氯化钠、氯化铵)凝固时的温度规定为0华氏度,纯水凝固的温度定为32华氏度,把1个标准大气压下的水的沸腾温度定为212华氏度,中间分成180等份。由此可见,华氏度比摄氏度更加精准,摄氏度和华氏度的换算关系是:摄氏度×9/5+32=华氏度。现在世界上只有美国、缅甸和利比里亚在使用华氏度。

摄氏温标相对来说计算简单,适合日常使用,华氏温标计算复杂,更加精确,适合科学研究,二者各有适合的应用场合。还有一种热力学温标,作为七个国际单位之一的开尔文,它是纯理论计算的,不受到测温物质的影响,比如摄氏度温标采用的冰、纯水等。在开氏温标里,物质有绝对零度,即0K=-273.15℃,但是需要说明的是,0K只能无限接近,是无法达到,这也就是为什么开氏温度是“纯理论计算得到的”。热力学温度的衡量从微观角度与物质的分子运动有关,从另一个方面看,物质内部没有绝对静止的粒子,也就没有绝对零度了。热力学温标通常在科学研究使用较多,以绝对零度为0K,水的三相点为273.16K。随着测量技术的不断发展,2018年国际计量大会规定1开尔文为“对应玻尔兹曼常数为1.380649×10^-23J·K^-1的热力学温度”。自此,基于玻尔兹曼常数的开氏温度正式在全世界开始实施。

由于热力学温标其装置复杂,不利于高精度复现,实现起来非常困难。国际计量委员会1927年决定采用国际温标ITS-27。与其他六个SI国际单位一样,国际计量委员会负责制定国际温标,各国具备高精度复现的国家基准,便于开展科研工作以及商业活动中温度的测量。我们现在使用的温标是ITS-90,它是由国际计量委员会CIPM于1989年批准的温度标准,我国自1994年全面实施ITS-90温标。ITS-90定义了国际开氏温度T90和国际摄氏温度t90。两者之间的关系为t90=T90-273.15K。

ITS-90定义的17个固定点如下:

符号含义如下:V指蒸气压点;T指三相点(固相、液相和气相平衡的温度);G指气体温度计点:M、F分别指熔点、凝固点(在101 325 Pa的压力下,固相和液相平衡的温度)。

我国根据ITS-90建立的温度标准,保存在中国计量科学研究院。各省市建立的地方标准定期与国家基准进行比对,确保量值传递的准确性。各温度计制造企业建立自己的计量标准,并每年向省市法定计量机构进行比对,以保证出厂温度计产品的计量准确。

自此,基于ITS-90的温度标准在我国落地实施。温标的落地实施为我国国际贸易的开展提供了极大的便利性。科学技术研究也离不开国际温标。总体来说,温度的测量必须要准确可靠。

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