温度量值溯源体系现状和发展

　　温度是描述一个物体的冷热程度的物理量,要定量地确定物体的温度,首先要确定衡量温度的标尺,即温标。温度测量的实质是确定被测温度在温标上对应的数值,因此简单来讲,温度计量技术的研究就是确定合理的温标,以及被测温度在温标上的映射方法。

　　1　温度的表示和温标

　　温度描述的是物体的一种状态,两个物体的温度不能相加,它们之间只能有相等或不相等的关系。假设将两个温度不相等的物体放在一起互相接触,它们之间就会发生热量交换,直至两个物体的温度一致,即两个物体达到一个热平衡的状态。进一步,取一个含A, B, C三个物体的热力学系统,若A与B处于热平衡, B与C也处于热平衡,那么A与C必定处于热平衡,这个结论叫做热力学第零定律,也叫做热平衡定律。热力学第零定律为温度概念的建立提供了实验基础,表明温度决定物体热平衡的宏观性质,处于同一热平衡状态的所有物体都具有温度相等这一共同的宏观性质。

　　但仅仅定义了温度的概念是不完全的,还要确定它的数值表示方法,温度的数值表示方法叫做温标。要建立温标需要三个要素:①选择测温介质,确定它随温度变化的属性即测温属性;②选定合适的温度固定点;③规定测温属性随温度变化的关系。比如日常生活中常用的摄氏温标,其测温物质选择水银,依据水银热胀冷缩的性质来测量温度,以冰的熔点和水的沸点作为两个温度固定点,并规定两个温度固定点之间均匀分为100份,每份代表1℃。这种温标称为经验温标。经验温标与测温物质属性有很大关系,不同物质或同一物质的不同属性随温度的变化关系是不同的,由此采用不同的测温介质测量的温度就不能唯一确定。

　　卡诺定理为解决这一问题提供了可能。根据卡诺定理,可逆理想热机的效率只与组成热机的热源和冷源温度有关,与工作介质无关。也就是说,如果选定某一参考温度(如水三相点)作为热源或冷源的温度,对一特定可逆热机来讲,另一个温度就唯一确定了,而与工作介质无关。因此,以卡诺定理为基础建立的温标称为热力学温标,是一种科学的温标,与测温介质的性质无关。热力学温标是一种理论温标,很难实现,需要使用气体温度计、声学温度计、噪声温度计或辐射温度计等来精密测量,不过这些测量装置非常复杂和昂贵,操作方法也相当繁琐。

　　国际温标是为了方便使用而建立起来的一种协议性温标,经国际协商而采用的通用的温标,它应满足三个条件:①尽可能与热力学温标相一致;②复现准确度高,使各国都能够准确地复现国际温标;③使用方便,能够满足实际需要。用国际温标来复现热力学温标,既易于复现,又非常接近于热力学温标,具有一致性、光滑性、准确性和唯一性的特点。