什么是溫度計的溫標(biāo)

許多中學(xué)教師在講“熱力學(xué)溫標(biāo)”這一節(jié)時，都是在講了查理定律之后把p—t圖上的直線向左方延長(圖1)交橫軸于D點，得出t=-273℃，然后敘述了課本中的文字：“精確的實驗證明273應(yīng)該是273.15即壓強(qiáng)等于零時的溫度應(yīng)該是-273.15℃……開爾文創(chuàng)立了把-273.15℃作為零度的溫標(biāo)，叫做熱力學(xué)溫標(biāo)或絕對溫標(biāo)，用熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度叫熱力學(xué)溫度或絕對溫度。

溫度的“標(biāo)尺”——依據(jù)溫標(biāo)就是測量一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分的溫度標(biāo)志，就象測量物體的長度要用長度標(biāo)尺——“長標(biāo)”一樣，是一種人為的規(guī)定，或者叫做一種單位制。規(guī)定溫標(biāo)是比較復(fù)雜的，不能象確定長標(biāo)那樣，在溫度計上隨便定出刻度間隔。我們首先要確定選擇什么樣的物質(zhì)(是水銀，還是氫氣或是電偶)，這些物質(zhì)的冷熱狀態(tài)必須能夠明顯地反映客觀物體(欲測物體)的溫度變化，而且這種變化有復(fù)現(xiàn)性(這一步叫選擇“測溫質(zhì)”)。其次，要知道該測溫質(zhì)的哪些物理量隨著溫度的改變將產(chǎn)生某種預(yù)期的改變(這一步叫確定“測溫特性”)。比如，水銀溫度計是用水銀做測溫質(zhì)，水銀的體積隨溫度作線性變化，這就是水銀這種測溫質(zhì)的測溫特性。第三，要選定該物理量的兩個確定的數(shù)值作為參考點(也叫基準(zhǔn)點)，進(jìn)而規(guī)定劃分溫度間隔的方法。華倫海特(G·D·Fahrenheit)最初所制的水銀溫度計是在北愛爾蘭最冷的某個冬日，水銀柱降到最低的高度定為零度；把他妻子的體溫定為100度，然后再把這段區(qū)間的長度均分為100份，每一份叫1度。這就是最初的華氏溫標(biāo)。顯然，認(rèn)定氣溫和人的體溫作為測溫質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)點并在此基礎(chǔ)上分度是不妥當(dāng)?shù)?。健康人的體溫在一天之中經(jīng)常波動，而且他妻子如果感冒發(fā)燒了怎么辦？后來，華倫海特改進(jìn)了他創(chuàng)立的溫標(biāo)，把冰、水、氯化銨和氯化鈉的混合物的熔點定為零度，以0°F表示之，把冰的熔點定為32°F，把水的沸點定為212°F，在32→212的間隔內(nèi)均分180等分，這樣，參考點就有了較為準(zhǔn)確的客觀依據(jù)。這就是現(xiàn)在仍在許多國家使用的華氏溫標(biāo)，華氏溫標(biāo)確定之后，就有了華氏溫度(指示數(shù))。

后來攝耳修司(A·Celsiua)也用水銀作測溫質(zhì)，以冰的熔點為零度(標(biāo)以0℃)，以水的沸點為100度(標(biāo)以100℃)。他認(rèn)定水銀柱的長度隨溫度作線性變化，在0度和100度之間均分成100等份，每一份也就是每一個單位叫1攝氏度。這種規(guī)定辦法就叫攝氏溫標(biāo)。

華氏溫度計和攝氏溫度計使用的是同種測溫質(zhì)(水銀)，利用了同樣的測溫特性(水銀柱熱脹冷縮)。但由于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)點和分度單位不同，就造成了兩種不同的溫標(biāo)，從而產(chǎn)生了兩種不同的溫度的數(shù)值。

如果選定的標(biāo)準(zhǔn)點相同，但使用了不同的測溫質(zhì)，那么所定出的溫標(biāo)也不會是完全一致的，因為它們的物理性質(zhì)隨溫度的改變在不同的范圍內(nèi)可能不會相同。下表列出五種溫度計，它們的測溫質(zhì)分別是氫氣、空氣、鉑絲、電偶和水銀，其測溫的物理性質(zhì)分別為氣體的壓強(qiáng)、電阻、電動勢和水銀的長度，它們的基準(zhǔn)點都是以冰的熔點和水的沸點為0度和100度?？梢钥闯?，對應(yīng)同一個客觀溫度(假定以定容氫氣溫度計的指示數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))，各種溫度計的讀數(shù)是不一樣的。

以上具體說明了我們的論斷：不管是用什么溫度計測定溫度，都不過是反映了測溫質(zhì)的特性而且還夾雜著溫度計結(jié)構(gòu)的影響。例如，水銀溫度計的玻璃泡和毛細(xì)玻璃管都將因為是否含鈉或是含鉀或是同時含有鈉鉀而使其零點位置發(fā)生變化。因此，任何溫度計都不能測定物體的真正溫度。由于測溫物質(zhì)和測溫特性的選取不同，參考點和分度方法的選擇不同，故可以有各式各樣的溫標(biāo)。

為了結(jié)束溫標(biāo)上的混亂局面，開爾文(即W·湯姆遜)——這位熱力學(xué)第二定律的創(chuàng)始人，最受尊敬的物理學(xué)家，創(chuàng)立了一種不依賴任何測溫質(zhì)(當(dāng)然也就不依賴任何測溫質(zhì)的任何物理性質(zhì))的絕對真實的絕對溫標(biāo)，也叫開氏溫標(biāo)或熱力學(xué)溫標(biāo)。

開氏溫標(biāo)是根據(jù)卡諾循環(huán)定出來的，以卡諾循環(huán)的熱量作為測定溫度的工具，即熱量起著測溫質(zhì)的作用。正因為如此，我們又把開氏溫標(biāo)叫做熱力學(xué)溫標(biāo)?？ㄖZ循環(huán)描繪了理想熱機(jī)的基本圖案，具有巨大的理論意義?？ㄖZ循環(huán)象迷霧中的燈塔，給出了熱機(jī)效率的上限。