开尔文

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》