一、溫度和溫標(biāo)

  1.溫度

  溫度是表示物體冷熱程度的物理量，自然界中的許多現(xiàn)象都與溫度有關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，會(huì)遇到大量有關(guān)溫度測(cè)量和控制的問題。

  溫度概念的建立是以熱平衡為基礎(chǔ)的。例如;將兩個(gè)冷熱程度不同的物體相互接觸，它們之間會(huì)產(chǎn)生熱量交換，熱量將從熱的物體向冷的物體傳遞，直到兩個(gè)物體的冷熱程度一致，即達(dá)到熱平衡為止。對(duì)處于熱平衡狀態(tài)的兩個(gè)物體就稱它們的溫度相同，而稱原來的冷物體溫度低，熱物體的溫度高。從微觀上看，溫度標(biāo)志著物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。

　在火電廠中，溫度測(cè)量對(duì)于保證生產(chǎn)過程的安全和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的意義。例如，鍋爐過熱器的溫度非常接近過熱器鋼管的極限耐熱溫度，如果溫度控制不好，會(huì)燒壞過熱器;在機(jī)組啟、停過程中，需要嚴(yán)格控制汽輪機(jī)汽缸和鍋爐汽包壁的溫度，如果溫度變化太快，汽缸和汽包會(huì)由于熱應(yīng)力過大而損壞;又如，蒸汽溫度、給水溫度、鍋爐排煙溫度等過高或過低都會(huì)使生產(chǎn)效率降低，導(dǎo)致多消耗燃料，而這些都離不開對(duì)溫度的測(cè)量。

  2.溫標(biāo)

  用來衡量溫度高低的標(biāo)尺叫做溫度標(biāo)尺，簡(jiǎn)稱溫標(biāo)。溫標(biāo)是用數(shù)值表示溫度的一整套規(guī)則，它確定了溫度的單位。

　熱力學(xué)溫標(biāo)的出現(xiàn)對(duì)溫標(biāo)的統(tǒng)一具有十分重要的意義。但由于卡諾循環(huán)是理想循循環(huán)環(huán)，卡諾熱機(jī)實(shí)際上并不存在，因此熱力學(xué)溫標(biāo)是無法實(shí)現(xiàn)的。為此，人類一直在研究、尋求一種既準(zhǔn)確、又易行的統(tǒng)一的溫標(biāo)。目前全世界普遍采用的國(guó)際溫標(biāo)就是人類經(jīng)過長(zhǎng)期研究、不斷發(fā)展與修正而成的。國(guó)際溫標(biāo)要求具備以下條件: 數(shù)值上盡可能接近熱力學(xué)溫度，差值應(yīng)在當(dāng)前技術(shù)所能達(dá)到的準(zhǔn)確度極限之內(nèi);②復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高，各國(guó)均能以很高的準(zhǔn)確度復(fù)現(xiàn)同樣的溫標(biāo)，確保溫度量值的統(tǒng)一;③用于復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用方便、性能穩(wěn)定。由此可見，滿足上述條件的國(guó)際溫標(biāo)將是熱力學(xué)溫標(biāo)的再現(xiàn)，同時(shí)又易于實(shí)現(xiàn)，因此是性能理想的溫標(biāo)。最早的國(guó)際溫標(biāo)是在1927年第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上決定采用的，以后隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先后又對(duì)國(guó)際溫標(biāo)作了幾次重大修正。作修改的原因主要是溫標(biāo)的基本內(nèi)容發(fā)生了變化，具體說是內(nèi)插儀器 (溫度計(jì))、固定點(diǎn)和內(nèi)插公式有改變。1990年前世界各國(guó)(包括我國(guó))均采用1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo) (代號(hào)IPTS-1968)，經(jīng)多年實(shí)踐，逐漸發(fā)現(xiàn)了它的一系列缺陷，根據(jù)第18屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)及第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的決議，建議在1990年起在全世界范圍開始實(shí)行新的"1990國(guó)際溫標(biāo)（ITS-1990）。我國(guó)也決定從1991年7月1日起實(shí)行該溫標(biāo)。

  溫標(biāo)有其自身的演變和發(fā)展過程。早期的溫標(biāo)是依據(jù)某些物質(zhì)的有關(guān)特性建立的。例如最早的攝氏溫標(biāo)是建立在利用水銀的熱脹冷縮性質(zhì)制成的玻璃管水銀溫度計(jì)的基礎(chǔ)上的溫標(biāo)，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)溫度為0℃，沸點(diǎn)為100℃，兩點(diǎn)間按水銀柱高度等分成100份，每份代表且記。類似這樣的溫標(biāo)不止一個(gè)，它們的共同點(diǎn)是依賴于測(cè)溫物質(zhì)的具體性質(zhì)，使溫標(biāo)具有隨意性和局限性。當(dāng)用同一種溫標(biāo)確定某一溫度的數(shù)值時(shí)，隨著測(cè)溫物質(zhì)性質(zhì)的差別(例如成分稍有變動(dòng))，則會(huì)得到不同的結(jié)果。采用不同的溫標(biāo)則結(jié)果會(huì)更加不一致。

  人們需要建立一個(gè)不依賴任何物質(zhì)的具體性質(zhì)的、客觀的溫標(biāo)，并把溫標(biāo)統(tǒng)一起來。熱力學(xué)溫標(biāo)就是這樣的理想溫標(biāo)，它又稱為絕對(duì)溫標(biāo)。該溫標(biāo)是建立在熱力學(xué)卡諾循環(huán)理論基礎(chǔ)上的溫標(biāo)，其理論基礎(chǔ)是:高溫?zé)嵩?T1)與低溫?zé)嵩?T2)的溫度之比，等于在這兩個(gè)熱源之間運(yùn)轉(zhuǎn)的卡諾熱機(jī)吸熱量(Q1)與放熱量(Q2)絕對(duì)值之比，即 ?？梢姕囟扰c物質(zhì)的任何性質(zhì)均無關(guān)系，而只與熱量有關(guān)。因此，以此為基礎(chǔ)的溫標(biāo)就擺脫了對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的依賴，克服了分度的任意性，是一種客觀的溫標(biāo)。由熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，并以符號(hào) “T” 表示。它定義標(biāo)準(zhǔn)條件下水的三相點(diǎn) (水蒸氣、水、冰共存點(diǎn))的溫度值為273.16開爾文，開爾文（簡(jiǎn)稱開）是溫度的單位，符號(hào)為K，IK相當(dāng)于水三相點(diǎn)溫度的1/273.16。

  1990國(guó)際溫標(biāo)的主要內(nèi)容為:

  (1)溫度的表示與單位。1990國(guó)際溫標(biāo)同時(shí)定義國(guó)際開爾文溫度（符號(hào)為T90）和國(guó)際攝氏溫度(符號(hào)為t90)，它們的單位分別是開爾文(K)和攝氏度（℃）。溫度單位用二者皆可。兩種溫度的數(shù)量關(guān)系為t90/℃=T90/K-273.15

  (2)1990國(guó)際溫標(biāo)的通則。該溫標(biāo)的適用溫度為0.65K到根據(jù)普朗克輻射定律使用單色輻射方法實(shí)際能測(cè)得的最高溫度。

　把整個(gè)溫度范圍分成若干個(gè)溫區(qū)、分溫區(qū)，在不同的溫區(qū)內(nèi)用不同的內(nèi)插儀表或關(guān)系式定義溫度T90（或t90），使用各自的定義（溫度）固定點(diǎn)及規(guī)定的內(nèi)插方法進(jìn)行分度。

  (3)1990國(guó)際溫標(biāo)的定義。整個(gè)溫度范圍分成四個(gè)溫區(qū)，它們有各自的定義方法。某些溫區(qū)有重疊，重疊區(qū)的T90有差異。0.65K到5.0K之間，T90由3He和4He的蒸氣壓力與溫度的關(guān)系式來定義(3He和4He為He的同位素)。由3.0K到氖的三相點(diǎn)(24.5561K)之間，T90是用氖氣體溫度計(jì)來定義的。它使用三個(gè)定義固定點(diǎn)并利用規(guī)定的內(nèi)插方法來分度。這三個(gè)定義固定點(diǎn)是可以通過實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)，并具有給定值。平衡氫三相點(diǎn)（13.8033K)到銀凝固點(diǎn)（961.78℃）之間，T90是用鉑電阻溫度計(jì)來定義的，它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)并利用規(guī)定的內(nèi)插方法分度。銀凝固點(diǎn)（961.78℃）以上，T90借助于一個(gè)定義固定點(diǎn)和普朗克輻射定律來定義。所用儀器為光學(xué)或光電高溫計(jì)。

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