温标

　　现代统计力学虽然建立了温度和分子动能之间的函数关系，但由于目前还难以直接测量物体内部的分子动能，因而只能利用一些物质的某些物性（诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等）随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的统一尺度，即温标。

　　随着温度测量技术的发展，温标也经历了一个逐渐发展，不断修改和完善的渐进过程。从早期建立的一些经验温标，发展为后来的理想热力学温标和绝对气体温标，到现今使用的具有较高精度的国际实用温标，其间经历了几百年时间。

　　1．经验温标

　　根据某些物质的体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。

　　（1）华氏温标

　　1714年德国人法勒海特（Fahrenheit）以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零摄氏度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为l华氏度，记作“1℉”。按照华氏温标，水的冰点为32℉，沸点为212℉。

　　（2）摄氏温标

　　1740年瑞典人摄氏（Celsius）提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度，平均分成l00等份，每一份称为l摄氏度，记作1℃。

　　摄氏温度和华氏温度的关系为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　式中，T为华氏温度值；t为摄氏温度值。

　　除华氏温标和摄氏温标外，还有一些类似经验温标，如列氏温标、兰氏温标等，这里不再一一列举。

　　经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限（如摄氏温标为0℃、100℃），超过了这个温区，摄氏温标将不能进行温度标定。总之，经验温标具有很大的局限性，很快就不能适应工业和科技等领域的测温需要。

　　2．热力学温标

　　1848年由开尔文（Kelvin）提出的以卡诺循环（Carnot cycle）为基础建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度（在实验中无法达到的理论温度，低于0 K的温度不可能存在）与水的三相点温度分成273．16份，每份为1K（Kelvin）。热力学温度的单位为“K”。

　　3．绝对气体温标

　　从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律，有

PV=RT 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2）

　　式中，P为一定质量的气体的压强；V为该气体的体积；R为普适常数；T为热力学温度。

　　当气体的体积为恒定（定容）时，其压强就是温度的单值函数，即有

T₂／T₁= P₂／P₁

　　这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系完全类似。因此若选用同一固定点（水的三相点）来作参考点，两种温标在数值上就完全相同。

　　理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用真实气体来制作气体温度计。由于在用气体温度计测量温度时，要对其读数进行多项修正（诸如真实气体与理想气体之偏差修正，容器的膨胀系数修正，毛细管等有害容积修正，气体分子被容器壁吸附修正等），而进行这些修正又需依据许多高精度、高难度的精确测量，因此，直接用气体温度计来统一国际温标，不仅技术上难度很大，很复杂，而且操作非常繁杂，困难。在各国科技工作者的不懈努力和推动下，导致了协议性的国际实用温标的产生和建立。

　　4．国际实用温标和国际温标

　　经国际协议产生的国际实用温标的指导思想是要尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，且用于复现温标的标准温度计，制作较容易，性能稳定，使用方便，从而使各国均能以很高的精度复现该温标，保证国际上温度量值的统一。

　　第一个国际温标是l927年第七届国际计量大会上决定采用的国际实用温标。此后在1948、1960、1968年多次修订，形成了近20多年来各国普遍采用的国际实用温标（IPTS-68）。

　　1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS-90。为和IPTS-68温标相区别，用T₉₀表示ITS-90温标。ITS-90基本内容为：

　　（1）重申国际实用温标单位仍为K，1K等于水的三相点时温度值的1／273．16；

　　（2）把水的三相点时温度值定义为0．01℃（摄氏度），同时相应地把绝对零度修订为-273．15℃，这样国际摄氏温度t90 （℃）和国际实用温度％（K）关系为：

t90＝T90-273．15 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （3）

　　在实际应用中，为书写方便，通常直接用t和T分别代表t₉₀和T₉₀。

　　（3）规定把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下：

　　①0．65～5．0K，用3He和4He蒸汽温度计；

　　②3．0～24．5561K，用³He和³He定容气体温度计；

　　③13．803～1234．93K（961．78℃），用铂电阻温度计；

　　④1234．93K（961．78℃）以上，用光学或光电高温计。

　　（4）新确认和规定l7个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来复现整个热力学温标，见表1所示。

　　我国从1991年7月113起开始对各级标准温度计进行改值，整个工业测温仪表的改值在1993年年底前全部完成，并从1994年元旦开始全面推行ITS-90新温标。

表1　ITS-90温标17个固定点温度　（点击下图）