什么是溫度計的溫標

許多中學(xué)教師在講“熱力學(xué)溫標”這一節時(shí)，都是在講了查理定律之后把p—t圖上的直線(xiàn)向左方延長(cháng)(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)驗證明273應該是273.15即壓強等于零時(shí)的溫度應該是-273.15℃……開(kāi)爾文創(chuàng )立了把-273.15℃作為零度的溫標，叫做熱力學(xué)溫標或絕對溫標，用熱力學(xué)溫標表示的溫度叫熱力學(xué)溫度或絕對溫度。

溫度的“標尺”——依據溫標就是測量一定的標準劃分的溫度標志，就象測量物體的長(cháng)度要用長(cháng)度標尺——“長(cháng)標”一樣，是一種人為的規定，或者叫做一種單位制。規定溫標是比較復雜的，不能象確定長(cháng)標那樣，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(guān)物體(欲測物體)的溫度變化，而且這種變化有復現性(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(zhù)溫度的改變將產(chǎn)生某種預期的改變(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(xiàn)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(gè)確定的數值作為參考點(diǎn)(也叫基準點(diǎn))，進(jìn)而規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(ài)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，然后再把這段區間的長(cháng)度均分為100份，每一份叫1度。這就是最初的華氏溫標。顯然，認定氣溫和人的體溫作為測溫質(zhì)的標準點(diǎn)并在此基礎上分度是不妥當的。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，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的間隔內均分180等分，這樣，參考點(diǎn)就有了較為準確的客觀(guān)依據。這就是現在仍在許多國家使用的華氏溫標，華氏溫標確定之后，就有了華氏溫度(指示數)。

后來(lái)攝耳修司(A·Celsiua)也用水銀作測溫質(zhì)，以冰的熔點(diǎn)為零度(標以0℃)，以水的沸點(diǎn)為100度(標以100℃)。他認定水銀柱的長(cháng)度隨溫度作線(xiàn)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。這種規定辦法就叫攝氏溫標。

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)。但由于規定的標準點(diǎn)和分度單位不同，就造成了兩種不同的溫標，從而產(chǎn)生了兩種不同的溫度的數值。

如果選定的標準點(diǎn)相同，但使用了不同的測溫質(zhì)，那么所定出的溫標也不會(huì )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可能不會(huì )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、電阻、電動(dòng)勢和水銀的長(cháng)度，它們的基準點(diǎn)都是以冰的熔點(diǎn)和水的沸點(diǎn)為0度和100度?？梢钥闯?，對應同一個(gè)客觀(guān)溫度(假定以定容氫氣溫度計的指示數為標準)，各種溫度計的讀數是不一樣的。

以上具體說(shuō)明了我們的論斷：不管是用什么溫度計測定溫度，都不過(guò)是反映了測溫質(zhì)的特性而且還夾雜著(zhù)溫度計結構的影響。例如，水銀溫度計的玻璃泡和毛細玻璃管都將因為是否含鈉或是含鉀或是同時(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(diǎn)和分度方法的選擇不同，故可以有各式各樣的溫標。

為了結束溫標上的混亂局面，開(kāi)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(lài)任何測溫質(zhì)(當然也就不依賴(lài)任何測溫質(zhì)的任何物理性質(zhì))的絕對真實(shí)的絕對溫標，也叫開(kāi)氏溫標或熱力學(xué)溫標。

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