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“开尔文”脱“水”?国际计量大会一锤定音!

时间:2018-11-22来源:互联网 作者:编辑 点击:
“开尔文”定义大换脸…… 2018年11月13日,第26届国际计量大会在法国巴黎开幕,来自国际计量局正式成员国和附属成员国(经济体)的近300名代表出席大会。 中国质量新闻网截图 备受

“开尔文”定义大换脸……

2018年11月13日,第26届国际计量大会在法国巴黎开幕,来自国际计量局正式成员国和附属成员国(经济体)的近300名代表出席大会。

中国质量新闻网截图

备受关注的国际单位制修订将在此次大会上进行表决,在SI基本单位量子化演进的大潮中,基于“水的三相点”定义的“开尔文”,自然也在重新定义之列。“开尔文”的 脱“水”后何去何从?

“经验温标”知多少?

温度的重要性不言而喻,如体温是反映人体健康的一个“窗口”;气温是影响植物生长的一个重要因子,同时也是季节变化人们穿衣打扮的一个参考依据;机器的运行也要时刻测量温度的高低;生物发酵同样需要适宜的温度……

不同温度尺标比较(网络图)

人类在漫长的生产实践中,逐渐认识到了温度测量的重要性。只是由于认识水平以及科技发展的局限性,一直都靠感官来感知温度,或者借助于火焰、颜色等现象来判断温度的高低。

尽管我们的感官也可以感知温度,但大多是很不可靠的。温度比较特殊,需要借助于某个物理量进行间接测量。为了保证温度量值的统一和准确,有科学家建立了一些用来测量温度的标准尺度,我们称之为温标。

华氏温标:是用德国人华伦海特(Gabriel D. Fahrenheit,1686年~1736年)命名的一种温标。该温标选取氯化铵和冰水的混合物的冰点温度为0℉,人体温度为100℉,分为100等份,每等份为华氏1度,记作“1℉”。

华氏温标纪念银币(网络图)

华氏温标使温度测量有了统一的标准,为热学的发展提供了重要的研究工具。1714年,华伦海特发现液体金属水银比酒精更适宜制造温度计,从而发明了以水银为测温介质的玻璃水银温度计。

“华氏温标”作为一种经验温标,目前主要在美国以及三个岛国使用。现在,世界上大部分地区测量温度都使用摄氏温标。

摄氏温标:是目前世界上普遍使用的一种温标,是由瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯(Anders Celsius,1701年~1744年)于1742年提出来的一种温标。

摄氏温标纪念邮票(网络图)

摄氏温标的规定是:在标准大气压下,水的冰点为0℃,水的沸点为100℃,中间分为100等份,每份为1℃。1954年,第十届国际度量衡大会将此温标命名为“摄氏温标”,以表彰摄尔修斯的贡献。

法国著名科学家列奥米尔(网络图)

列氏温标:是用法国著名科学家列奥米尔(René Antoine Ferchault de Réaumur,1683年~1757年)命名的一种温标。1731年,列奥米尔把一个大气压下水的冰点定为0°R,而沸点则为80°R。列氏温标曾经在法国、德国等欧洲国家十分流行,但后来被摄氏温标所取代。

“开尔文”何时“出道”?

物理意义上的温度具有严格的定义,用来表示物体的冷热程度。随着各种经验温标的诞生,温度的地位越来越重要。然而,如何准确地反映温度的客观属性,却成为了一个颇令人们头疼的问题。

为什么会这样呢?因为不同的温标其参考温度点以及分度值都不一样,因此对于特定客观物体的温度来说,会出现互不相同的温度数值,交流起来是很不方便的。

从温度计测温的角度来看,不同的温度计所依据的测温物质的物理性质也不同,如液体物质大多依据体积和温度的关系,气体物质则依据气压和温度的关系……完全不依赖测温物质属性的温度计是没有的。这也是经验温标的局限性之一。

英钞中的开尔文(网络图)

为了解决上述的一些问题,英国物理学家开尔文于1848年提出了绝对温度和绝对温标的概念。开尔文在电磁学和热学等方面都取得了成就。他是热力学第二定律的奠基人之一,由他创立的热力学温标具有十分重要的科学意义。热力学温标也称绝对温标或开尔文温标。

1954年,国际计量大会把热力学温标确定为标准温标。并规定了热力学温度单位的定义,即选取水的三相点为基本定点,并定义其温度为273.16K。1960年,第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单位,简称“开”,用K表示。

水的三相点

1967年,第 13届国际计量大会给出开尔文的正式定义,即1开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16。据悉,水的三相点温度和压强分别为273.16K和611.73Pa。

实际上,热力学温标与摄氏温标也是有联系的。比如,热力学温标规定了温度的极点——绝对零度(-273.15℃),以此温度点作为温标的出发点,而热力学温标的分度间隔与摄氏温标的间隔是一致的。

“开尔文”为何要重新定义?

热力学温标是一个纯理论上的温标,主要应用于科学技术研究领域。然而,“开尔文”存在一定的缺陷,不能满足在低于20 K和高于1300 K的场合使用。因此,重新定义“开尔文”很早就被列入了议程。

从热平衡的角度来看,温度反映的是热平衡系统内部分子无规则运动的剧烈程度。从能量的角度来讲,温度则是描述系统内部不同自由度间能量分布状况的物理量。

奥地利物理学家——玻尔兹曼

国际计量委员会(CIPM)建议采用自然基本常数―玻尔兹曼常数来定义热力学温度单位“开尔文”。玻尔兹曼常数是用奥地利物理学家玻尔兹曼命名的一个物理常数,它能够把气体分子的平均动能与绝对温度联系起来。

玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann,1844年~1906年)是奥地利物理学家,热力学和统计物理学的奠基人之一。玻尔兹曼常数是热力学的一个基本常量,其数值为1.3806505(24)×10-23 J/K。利用玻尔兹曼常数重新定义开尔文,可以提高对极端低温和极端高温的测量精度。

准确绝对地测量玻尔兹曼常数,使其不确定度达到新定义可以接受的水平,是国际计量界面临的极大挑战。在中国计量院2017年度十大科技事件中,我国科学家为开尔文重新定义进行的玻尔兹曼常数测量名列其中。

据悉,中国计量院采用声学共鸣法和噪声法两种方法测量玻尔兹曼常数的相对不确定度分别达到2.0x10-6 和2.7x10-6,皆被国际科学技术数据委员会CODATA 2017收录,从而为开尔文重新定义做出了重要贡献。

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参考文献

【1】科学出版社 Elizabeth Gibney.《真正改写教科书:四个我们熟悉的基础单位即将被重新定义》,搜狐网,2017-12-20。

【2】沈乃潋.《计量学与基本物理常数温度单位开尔文定义的历史、现状和发展趋势》,中国计量,2013年。

【3】王魁汉.《温度测量实用技术》(M),机械工业出版社,2006年版。

作者:肖溪树

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