什么是溫度計(jì)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(shí)，都是在講了查理定律之后把p—t圖上的直線向左方延長(zhǎng)(圖1)交橫軸于D點(diǎn)，得出t=-273℃，然后敘述了課本中的文字：“精確的實(shí)驗(yàn)證明273應(yīng)該是273.15即壓強(qiáng)等于零時(shí)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(duì)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(duì)溫度。

溫度的“標(biāo)尺”——依據(jù)溫標(biāo)就是測(cè)量一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分的溫度標(biāo)志，就象測(cè)量物體的長(zhǎng)度要用長(zhǎng)度標(biāo)尺——“長(zhǎng)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(zhǎng)標(biāo)那樣，在溫度計(jì)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(cè)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(cè)溫質(zhì)”)。其次，要知道該測(cè)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(cè)溫特性”)。比如，水銀溫度計(jì)是用水銀做測(cè)溫質(zhì)，水銀的體積隨溫度作線性變化，這就是水銀這種測(cè)溫質(zhì)的測(cè)溫特性。第三，要選定該物理量的兩個(gè)確定的數(shù)值作為參考點(diǎn)(也叫基準(zhǔn)點(diǎn))，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(jì)是在北愛爾蘭最冷的某個(gè)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(zhǎng)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(cè)溫質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)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(dòng)，而且他妻子如果感冒發(fā)燒了怎么辦？后來(lái)，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(diǎn)定為零度，以0°F表示之，把冰的熔點(diǎn)定為32°F，把水的沸點(diǎn)定為212°F，在32→212的間隔內(nèi)均分180等分，這樣，參考點(diǎn)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(guó)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(lái)攝耳修司(A·Celsiua)也用水銀作測(cè)溫質(zhì)，以冰的熔點(diǎn)為零度(標(biāo)以0℃)，以水的沸點(diǎn)為100度(標(biāo)以100℃)。他認(rèn)定水銀柱的長(zhǎng)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(gè)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(jì)和攝氏溫度計(jì)使用的是同種測(cè)溫質(zhì)(水銀)，利用了同樣的測(cè)溫特性(水銀柱熱脹冷縮)。但由于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)相同，但使用了不同的測(cè)溫質(zhì)，那么所定出的溫標(biāo)也不會(huì)是完全一致的，因?yàn)樗鼈兊奈锢硇再|(zhì)隨溫度的改變?cè)诓煌姆秶鷥?nèi)可能不會(huì)相同。下表列出五種溫度計(jì)，它們的測(cè)溫質(zhì)分別是氫氣、空氣、鉑絲、電偶和水銀，其測(cè)溫的物理性質(zhì)分別為氣體的壓強(qiáng)、電阻、電動(dòng)勢(shì)和水銀的長(zhǎng)度，它們的基準(zhǔn)點(diǎn)都是以冰的熔點(diǎn)和水的沸點(diǎn)為0度和100度?？梢钥闯觯瑢?duì)應(yīng)同一個(gè)客觀溫度(假定以定容氫氣溫度計(jì)的指示數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))，各種溫度計(jì)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(jì)測(cè)定溫度，都不過是反映了測(cè)溫質(zhì)的特性而且還夾雜著溫度計(jì)結(jié)構(gòu)的影響。例如，水銀溫度計(jì)的玻璃泡和毛細(xì)玻璃管都將因?yàn)槭欠窈c或是含鉀或是同時(shí)含有鈉鉀而使其零點(diǎn)位置發(fā)生變化。因此，任何溫度計(jì)都不能測(cè)定物體的真正溫度。由于測(cè)溫物質(zhì)和測(cè)溫特性的選取不同，參考點(diǎn)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(cè)溫質(zhì)(當(dāng)然也就不依賴任何測(cè)溫質(zhì)的任何物理性質(zhì))的絕對(duì)真實(shí)的絕對(duì)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(lái)的，以卡諾循環(huán)的熱量作為測(cè)定溫度的工具，即熱量起著測(cè)溫質(zhì)的作用。正因?yàn)槿绱?，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。