?雙辰儀器淺談溫度的歷史和由來

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          科技創新

          雙辰儀器淺談溫度的歷史和由來

          談到“溫度”,相信每個人都不會陌生,體溫,氣溫,食品的溫度,這些都是跟每個人的日常工作以及生活息息相關。通俗來講,以上這些溫度分別代表了人類身體的健康與否,天氣的舒適與否,食物是否達到安全要求等等。


          七個SI國際單位之一的“溫度”

          作為七個SI國際單位之一的“溫度”,科學研究與其密不可分。那么“溫度”這個概念是從何而來的呢,它的歷史起源又是怎樣的呢?在國際單位制的溫度標準出現之前,人們又是怎樣來描述對溫度的感知呢?舉個通俗易懂的例子,作為一個中國人,如果你遇到一個美國人說“今天的溫度很低,只有32度”你可能會心生疑問--怎么都32度了,溫度還低呢?那么原因可能是,這個美國人所說的32度是32華氏度,換算成我們中國人習慣的溫度單位是0攝氏度。如果今天的氣溫是0攝氏度,這樣一說,相信你就不會感到疑惑了。通過這個例子我們不難看出,大家使用的溫標不一致,在描述同樣一個物體(或者物質)的溫度時,會由于各自參考溫標的不同而帶來一定的差異,如果大家參考同一個坐標系,那么這種差異將會迎刃而解。這也就是國際單位存在的意義,統一的標準帶來的是工作生活的便利性。

          溫度到底是什么?

          那么溫度到底是什么?溫度其實就是衡量物體冷熱程度的一個物理量。從微觀意義上來說,溫度是分子熱運動的劇烈程度。也就是說分子運動越激烈,溫度越高;分子運動趨于靜止,則溫度越低。

          上述案例中談到溫度的單位,除了華氏度和攝氏度以外,其實還有列氏度和開氏溫度,其中列氏度現已基本不使用。當今世界現行的三類溫標分別是攝氏溫標,華氏溫標以及開爾文溫標。每種溫標其實背后都有一位偉大的科學家,這些科學家在溫度標準建立的過程中,做出了卓越的貢獻和成就。


          先來說說攝氏溫標,攝氏溫標是由瑞典的物理學家攝爾修斯所創立的,單位是攝氏度,以°C表示。攝氏溫標以1個標準大氣壓下水的結冰點為0攝氏度,水的沸點為100攝氏度,中間分成100等份。攝氏溫標采用的內插儀器是玻璃水銀溫度計,內插公式為t=100(h-h0)/(h100-h0)。攝氏溫標為世界上應用比較廣泛的一類溫標。

          華氏溫標是由荷蘭的華倫海特創立,單位是華氏度,用℉表示。華氏溫標以特定濃度的鹽水(包含冰、水、氯化鈉、氯化銨)凝固時的溫度規定為0華氏度,純水凝固的溫度定為32華氏度,把1個標準大氣壓下的水的沸騰溫度定為212華氏度,中間分成180等份。由此可見,華氏度比攝氏度更加精準,攝氏度和華氏度的換算關系是:攝氏度×9/5+32=華氏度?,F在世界上只有美國、緬甸和利比里亞在使用華氏度。

          攝氏溫標相對來說計算簡單,適合日常使用,華氏溫標計算復雜,更加精確,適合科學研究,二者各有適合的應用場合。還有一種熱力學溫標,作為七個國際單位之一的開爾文,它是純理論計算的,不受到測溫物質的影響,比如攝氏度溫標采用的冰、純水等。在開氏溫標里,物質有絕對零度,即0K=-273.15℃,但是需要說明的是,0K只能無限接近,是無法達到,這也就是為什么開氏溫度是“純理論計算得到的”。熱力學溫度的衡量從微觀角度與物質的分子運動有關,從另一個方面看,物質內部沒有絕對靜止的粒子,也就沒有絕對零度了。熱力學溫標通常在科學研究使用較多,以絕對零度為0K,水的三相點為273.16K。隨著測量技術的不斷發展,2018年國際計量大會規定1開爾文為“對應玻爾茲曼常數為1.380649×10^-23J·K^-1的熱力學溫度”。自此,基于玻爾茲曼常數的開氏溫度正式在全世界開始實施。

          由于熱力學溫標其裝置復雜,不利于高精度復現,實現起來非常困難。國際計量委員會1927年決定采用國際溫標ITS-27。與其他六個SI國際單位一樣,國際計量委員會負責制定國際溫標,各國具備高精度復現的國家基準,便于開展科研工作以及商業活動中溫度的測量。我們現在使用的溫標是ITS-90,它是由國際計量委員會CIPM于1989年批準的溫度標準,我國自1994年全面實施ITS-90溫標。ITS-90定義了國際開氏溫度T90和國際攝氏溫度t90。兩者之間的關系為t90=T90-273.15K。




          符號含義如下:V指蒸氣壓點;T指三相點(固相、液相和氣相平衡的溫度);G指氣體溫度計點:M、F分別指熔點、凝固點(在101 325 Pa的壓力下,固相和液相平衡的溫度)。

          我國根據ITS-90建立的溫度標準,保存在中國計量科學研究院。各省市建立的地方標準定期與國家基準進行比對,確保量值傳遞的準確性。各溫度計制造企業建立自己的計量標準,并每年向省市法定計量機構進行比對,以保證出廠溫度計產品的計量準確。

          自此,基于ITS-90的溫度標準在我國落地實施。溫標的落地實施為我國國際貿易的開展提供了極大的便利性??茖W技術研究也離不開國際溫標??傮w來說,溫度的測量必須要準確可靠。


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