8.4.1 基本概念
在人类的日常活动中,经常会碰到许多冷和热的现象。凭借我们自身的感觉可以分辨出物体的冷和热。比如:装有开水的开水杯很热,冰箱的冷冻室很冷,发烧的人体温较热等等。但是,仅凭感觉来判段物体的冷和热是不科学的。甚至有时候还会出现错误的判断。比如:在寒冷冬季的公共电车上,我们用手去触摸铁的扶手和木制的扶手就会感觉不一样,就会感到铁扶手比木制扶手冷些。这是因为铁散热快,迅速带走了我们手上的表面热量,导致我们感觉铁扶手凉些。其实在同样的环境下,它们的冷热程度是一样的,是我们的感觉出了问题。再比如:如果我们自己发烧了,在去摸别的发烧的人,可能就会认为都正常,同样也是我们的感觉出了问题。
要想科学、准确的表示出物体的冷、热程度,就要借助于“温度”这个物理量了。
温度的定义
处于同一热平衡状态的物体一定具有相同的温度。换句话说:温度是描述物体冷热程度的物理量。需要注意的几个问题:
1、这里强调的是“热平衡状态”。所以,当冷水和热水混合后,只有当热平衡完成时,所处的温度才是混合后的水温,平衡过程的温度是变化的、不确定的。也就是说:为什么我们在试体温时,要将体温计放在腋下几分钟后,才可以正确的测量出体温,就是基于这个基本道理。
2、这是一个定性的定义,所以说还是不完全的,完全的定义还应该包括:定量的定义(方法)。不仅要确定冷热的关系,还要定义出冷热的程度数值。
温标
为了定量表示物体的冷热程度,必须用数值将温度表示出来。用数值表示温度的方法称为温度标尺,简称温标。
实际上具备以下三点就可以建立温标。
1、测温仪器
2、固定温度点
3、温标方程
历史上,也存在过多种温标系统(经验温标)。其中现在还比较常用的:华氏温标和摄氏温标。
华氏温标
1714年,德国人华伦海托(Fahrenheit)第一个制造了性能可靠的水银温度计,并于1724年公布了他的温标。该温标规定:在一个标准大气压下,氯化氢和冰的混合物为0度,水的沸点为212度,用来标定水银温度计。温度计两固定温度点之间的距离等分212份,每一份称为:华氏一度。这种标定温度的方法称为华氏温标,冰的融化温度相当于32华氏度。
摄氏温标
1740年,瑞典人摄尔塞斯(Celsius)把冰的融化温度规定为0度,把水的沸腾温度规定为100度。用这两个固定温度点来标定玻璃水银温度计,将两固定温度点之间的距离等分为100份,每一等份称作摄氏一度,这种标定温度的方法称为摄氏温标。
温度作为一个基本物理量,采用经验温标还存在着一些不科学的缺点。比如:使用制作温度计的材料和工作物质(水银)受到一些限制,使得这些温标所能应用的温度范围非常有限。此外,它们的定义有很大的随意性。虽然,他们都选择冰融点和水沸点作为固定点,但是所定义的温度值却不一样。还有一点是:在上述温标中,温度之间是按等间隔划分的,实际上并非如此。事实正明,除了0度和100度两点外,其它点都不一致。
热力学温标
鉴于经验温标的局限性和任意性的缺点,人们期待建立一种超脱于任何特定工作物质,而由普遍使用的自然规律所定义的温标,使得温度测量更科学。
1848年,开尔文提出了热力学温标,简称开氏温标(K)。水的三相点温度为:273.16K。
热力学温标是基于热力学定律所建立,使温度的复现即统一,又于工作物质无关,体现了真正的科学意义,所以热力学温标又称为绝对温标。
国际温标
由于热力学温标来自于热力学定律,而理想的热力学过程是不存在的,所以热力学温标也被称为是理想温标,直接实现热力学温标是极其困难的(可通过气体温度计来实现热力学温标)。为了真正能够解决这个问题,1927年第七届国际计量大会决定采用第一个国际协定性温标来替代理想热力学温标,简称国际温标,代号(ITS-27)。它具有以下三个特点:
1、尽可能的与热力学温标一致。
2、复现精度高,各国都能够以很高的准确度来复现温标,以保证量值的统一。
3、规定的温度计使用起来方便。
后来,该温标又经过多次修改,我们现在使用的是:ITS-90。简称为:T90温标。
总的看来,与直接测量热力学温度相比,T90的测量要方便得多,并且更为精密和很高的复现性。
工程应用
上面简要介绍了温度的定义和温标的概念,这些是针对温度计量而表述的。实际上,在实际工程应用中,由于测量准确度要求不是很高,所以可以使用摄氏温标,除非你的测量需求要求准确度很高。因为摄氏温标在比较简单的条件下,就可以实现温度计的标定。
最主要的概念还是热平衡的概念,千万不要在热平衡过程中来测量温度,那样的测量结果会不准确。