两种不同水域的海水对水三相点温度的影响

　　0　引言

　　温度单位———开尔文(K)是国际单位制七个基本物理量之一。根据热力学卡诺循环等相关定律,开尔文提出热力学温标并选用几个固定点。国际计量大会推荐选定水三相点为固定点,其数值为273·16K。K为开尔文,即热力学温度单位,定义为水三相点热力学温度的1/273·16。但该定义并未对所使用的水给予说明,故ITS-90国际温标补充资料要求水三相点容器内的水应具有很高的纯度,且含有与天然海洋水相同的同位素成分[1]。天然水的同位素含量是有差异的[2]:海洋水中每mol1H中含有0·16mmol的2H;每mol16O中约含有0·40mmol的17O和2mmol的18O。而大陆表面的水,通常每mol1H中含有约0·15mmol的2H;极地水每mol1H中含有的2H少到0·1mmol。研究表明:水三相点温度随着氢、氧重同位表素含量的减少而增加。纯的轻水(1H216O)的水三相点温度比标准平均海水(Standard Mean Ocean Water,简称SMOW)的水三相点温度低1·2mk[3];同位素含量富裕的湖水比标准平均海水的水三相点温度高25μK,而极地冰水比标准平均海水的水三相点温度低250μK[4][5];整个美国,因降水变化引起水三相点温度降低在20μK (south - eastern states) ~ 90μK(northern Rockies)之间[6]。

　　近年来,新西兰的国家实验室(MSL)开展了氢氧同位素对水三相点温度影响的研究[7][8][9],研究中均假定标准平均海水所复现的水三相点温度值为273·16K;利用不同水源制造的水三相点容器复现水三相点,容器间的温差认为由水源中氢、氧同位素的差异引起的。White认为该差异引起温度降低高达80μK,并认为通过对容器内同位素修正可以将同位素引起的不确定度从±40μK降低到±3μK。中国计量科学研究院也开展了此方面的研究工作,并在2004年克罗地亚举行的TEMPMEKO2004国际温度大会上,发表了此方面的研究成果[10];利用三种不同水源(海水1、中国北方的去离子水、中国南方的纯净水)按相同的制作工艺研制六个容器(每种水源各2个容器)所复现的水三相点在±0·03mK范围内一致。

　　为了进一步研究水源对水三相点温度的影响,又选择了另一不同区域的海水作为新的水源(称之为海水2),按照相同的制作工艺制作新的容器,与海水1制作的容器进行比对。海水1与海水2的相关信息如表1所示。

　　1　实验

　　1·1　水三相点容器

　　实验中所使用的四个水三相点容器按照相同的制作工艺[11],具有如图1所示相同的结构、尺寸,玻璃材料均为特硬料;且均能满足CCT-K7水三相点容器国际关键比对中传递容器选择标准:(1)容器内水中没有悬浮物;(2)当轻轻倒转容器时,听到尖锐的咔嗒声。四个水三相点容器内的水源如表2所示。