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开尔文

2019-05-16 09:59:23 中国质量新闻网-中国质量报

走近SI

开尔文

从化学反应和食品加工控制,到天气和气候变化评估,准确的温度测量对于许多日常工作都有着重要意义。而且,几乎所有的工程过程都取决于温度——有的甚至到了严重依赖的程度。在更极端的条件下——如炼钢所需的高温或使用超导体所需的极低温——正确测得温度也同样很重要,但这实现起来要难得多。

温度测量有着悠久的历史。大约在2000年以前,古希腊拜占庭的工程师菲罗提出了这样的设计:一个装着水和空气的空心球,通过一根管子与一个敞口罐相联——这有可能是最早的温度计雏形。其工作原理如下:当空心球被加热或冷却时,其中的空气将随之膨胀或收缩,导致水从管子吸出或吸入。后来,人们发现当球体的温度从水的沸点降低到冰点时,球体中空气的体积收缩了1/3左右。这使得人们开始思考,如果一直对球体进行降温的话会发生什么。19世纪中叶,英国物理学家威廉姆·汤姆逊,即后来的开尔文勋爵,也对“无限冷”(我们现在称之为温度的“绝对零度”)这一概念萌生了兴趣。1848年,他发表了一篇题为《关于一种绝对温标》的文章,并在文中估计绝对零度在-273℃左右。为了纪念他的研究,人们用他的名字命名了温度单位开尔文。

当开尔文勋爵开展研究的时候,人们还未就“所有物质都是由不断运动的分子构成的”这点达成共识。如今我们知道,温度是对这些粒子平均动能的反映,而绝对零度——0开尔文——对应着可以达到的最低温度,即分子完全停止热运动的状态。

1960年SI创立时,水三相点的温度被精确定义为273.16K。这是不含气体的液态水、固态水(冰)和水蒸气三相共存达到平衡状态的温度。之所以选择这个温度作为标准温度,是因为它既方便使用,又易于复现。相应地,开尔文被定义为水三相点温度的273.16分之一。我们通过与标准温度比较的办法,来测量物体的温度。在SI中,我们还定义了另一种温度单位,摄氏度(℃)。以开尔文为单位的温度数值减去273.15,就可以得到以摄氏度表示的温度数值了:t(°C)=T(K)-273.15。

之所以这么做是为了方便以前使用摄氏温标的各种应用。在日常生活中,我们习惯用摄氏度表示温度。在这个温标下,水在0℃结冰,在100℃沸腾。注意到从开尔文换算到摄氏度需要减去273.15,那么水三相点的温度应等于0.01℃。

在新的定义中,开尔文将不再以一个随机选取的参考温度来定义,而是以分子动能来定义。定义方式如下:当玻尔兹曼常数k以单位J K-1,即kg m2 s -2 K -1表示时,将其固定数值取为1.380 649×10-23来定义开尔文,其中千克、米和秒用h,c 和△ν定义。新定义生效以后,我们将可以直接用分子动能来高效地测量温度。摄氏度与开尔文的换算关系将与2019年5月之前的保持一致。

对于绝大多数用户来说,重新定义将悄然而至,不留痕迹;水仍然在0℃结冰,在定义改变以前标定过的温度计的示值依然正确无误。但是,重新定义使全新的测温技术成为可能,极高、极低温测量可能最先受益。

(来源:欧洲计量组织 翻译:中国计量院 陈杭杭 高 蔚 整理:史玉成)

《中国质量报》

(责任编辑: 小易 )
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