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國(guó)際單位制中的“攝氏度”

本刊資料室

1“攝氏溫度”已被重新定義

溫度的概念和溫度的測(cè)量幾百年來(lái)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展和完善，到目前為止，溫度被定為國(guó)際單位制[SI]中7個(gè)基本物理量之一，單位為“開(kāi)爾文”，符號(hào)K.人們熟知的攝氏溫度的概念已不再是原來(lái)攝耳修斯 (Anders Celsius,1701～1744)所創(chuàng)建的“攝氏溫標(biāo)”的溫度，目前已被重新定義.單位 “攝氏度，符號(hào)℃”，已被納入了國(guó)際單位[SI]制單位，并被定義為“攝氏度是開(kāi)爾文用于表示攝氏溫度值的一個(gè)專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)”,意思是說(shuō)在使用攝氏溫度值時(shí),單位“開(kāi)爾文”有個(gè)專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)，叫做“攝氏度”.

由于有關(guān)溫度概念、溫度測(cè)量完善和發(fā)展的問(wèn)題是如此紛繁，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)(特別是在初中)的困難就可想而知了，很難說(shuō)追求科學(xué)的精準(zhǔn)和嚴(yán)密，只能采取通俗、模糊處理，但又應(yīng)避免出現(xiàn)歪曲和錯(cuò)誤. 為此特摘編如下一些資料供廣大教師同行參考，如有錯(cuò)訛之處還望指正.

2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于熱力學(xué)溫度和攝氏溫度的表述

攝氏溫度(Celsius temperature)/ 符號(hào)：t,θ；定義：t=T-T0，式中T0定義為等于273.15 K / 備注：熱力學(xué)溫度T0準(zhǔn)確地比水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度低 0.01 K /單位名稱(chēng)：攝氏度(degree Celsius),符號(hào)：℃ ；定義：攝氏度是開(kāi)爾文用于表示攝氏溫度值的一個(gè)專(zhuān)門(mén)名稱(chēng).

換算因數(shù)和備注:熱力學(xué)溫度和攝氏溫度的間隔或溫度差的單位是相同的.國(guó)際計(jì)量大會(huì)建議，這種溫度間隔或溫度差應(yīng)該用開(kāi)爾文(K)或攝氏度(℃)表示.其他名稱(chēng)或符號(hào)，例如：“degre”，“deg”，“degree centigrade”，“degree”或“度”，均予以廢除.應(yīng)當(dāng)指出，在攝氏度符號(hào) ℃ 之前應(yīng)留一間隔(參閱 GB 3101的3.4)[1].

3熱力學(xué)溫度和國(guó)際溫標(biāo)

溫度是一個(gè)既重要而又特殊的物理量,它是7個(gè)基本物理量之一，許多物理現(xiàn)象都與之密切相關(guān)，生產(chǎn)、生活、科學(xué)研究都離不開(kāi)溫度的測(cè)量；溫度是一個(gè)內(nèi)涵量(即強(qiáng)度量)，不是一個(gè)廣延量.溫度不能相加，一個(gè)溫度等于兩個(gè)溫度之和是沒(méi)有意義的，兩個(gè)溫度只有相等或不相等.長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)溫度的測(cè)量與對(duì)其他物理量的測(cè)量不同，對(duì)其他物理量測(cè)量得到的結(jié)果是所測(cè)物理量單位的倍數(shù)(或分?jǐn)?shù))，而對(duì)溫度的測(cè)量只是做標(biāo)志，即只是確定溫標(biāo)上的位置而已.這種情況到1967年使用溫度單位開(kāi)爾文以后有了變化，至此也就完成了溫度單位定義的現(xiàn)代化.

熱力學(xué)溫度是唯一能夠統(tǒng)一，而又能明確描述熱力學(xué)性質(zhì)的溫度.1848年，英國(guó)科學(xué)家開(kāi)爾文(William Thomson, Lord Kelvin,1824～1907)首先提出，將溫度數(shù)值與理想可逆熱機(jī)的效率相聯(lián)系，根據(jù)熱力學(xué)第二定律來(lái)定義溫度的數(shù)值.在此之前已出現(xiàn)了多種測(cè)溫工具和與之相對(duì)應(yīng)的溫標(biāo)，其中應(yīng)用最為廣泛的就是我們所熟悉的攝氏溫度計(jì)和攝氏溫標(biāo)(在歐美則流行華氏溫度計(jì)和華氏溫標(biāo))，這就是被人們稱(chēng)之為的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo).經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的一個(gè)共同特點(diǎn)就是人為地規(guī)定了溫度的變化與測(cè)溫物質(zhì)體積變化成線(xiàn)性關(guān)系.各種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)由于測(cè)溫物質(zhì)不同也存在差異.顯然，這種受制于測(cè)溫物質(zhì)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)無(wú)法滿(mǎn)足科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的需要.熱力學(xué)溫度根據(jù)熱力學(xué)第二定律定義，與任何特定物質(zhì)無(wú)關(guān)，是理想的溫度標(biāo)準(zhǔn).

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際交往日益頻繁，統(tǒng)一溫度量值勢(shì)在必行. 熱力學(xué)溫度是國(guó)際公認(rèn)的最基本的溫度，一切溫度測(cè)量最終都可以熱力學(xué)溫度為準(zhǔn).但是，熱力學(xué)溫度是理想溫度，不可能直接測(cè)量.我們所能做的只是制定一套方案，依照這個(gè)方案，用實(shí)際溫度計(jì)來(lái)測(cè)定任何溫度，在數(shù)值上都非常逼近相應(yīng)的熱力學(xué)溫度.這就是國(guó)際溫標(biāo)(有的叫做國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)).建立國(guó)際溫標(biāo)應(yīng)包括3點(diǎn)：

(1)確定一系列定義固定點(diǎn)(相平衡態(tài))，并賦予最佳的熱力學(xué)溫度值；

(2)指定內(nèi)插儀器(基準(zhǔn)溫度計(jì))；

(3)確定不同范圍內(nèi)的內(nèi)插公式.建立國(guó)際溫標(biāo)的原則是，定義簡(jiǎn)單，易于復(fù)現(xiàn)，所測(cè)溫度值十分接近熱力學(xué)溫度值，并且，無(wú)論是測(cè)量范圍，還是測(cè)量精度都應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)際需要.

統(tǒng)一溫度量值的工作從19世紀(jì)就開(kāi)始了.1887年國(guó)際計(jì)量局設(shè)計(jì)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，以定容氫氣體溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，它的量值通過(guò)玻璃水銀溫度計(jì)傳遞到各國(guó).溫度范圍只有0～100 ℃，還不能說(shuō)是真正的國(guó)際溫標(biāo).

第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)的1927國(guó)際溫標(biāo)ITS-27，確定了6個(gè)定義固定點(diǎn)、3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)插儀器和4個(gè)內(nèi)插公式.后來(lái)不斷更新完善，1948年公布了1948國(guó)際溫標(biāo)ITS-48,1954和1960年又兩次對(duì)ITS-48進(jìn)行修改，最重要的是以水的三相點(diǎn)作為一個(gè)定義固定點(diǎn)代替冰點(diǎn).經(jīng)修改后叫做1948國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)IPTS-48.

1968年作了一次重大修改，以1968國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)IPTS-68代替IPTS-48.IPTS-68確定了13個(gè)定義固定點(diǎn)及指定溫度值，其中包括冰點(diǎn)273.15 K,0 ℃；水沸點(diǎn)373.15 K ,100 ℃.這次改變了溫度值，擴(kuò)大了溫度范圍，使之更接近熱力學(xué)溫標(biāo).IPTS-68于1975年和1978年又進(jìn)行了兩次補(bǔ)充修正.

現(xiàn)行的1990國(guó)際溫標(biāo)ITS-90，是國(guó)際計(jì)量委員會(huì)根據(jù)1987年第十八屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)第七號(hào)決議的要求，于1989年通過(guò)的，定義固定點(diǎn)17個(gè)，較IPTS-68有較大的變化.其中包括取消了IPTS-68定義固定點(diǎn)中的水沸點(diǎn)，保留了水的三相點(diǎn).對(duì)于常用的玻璃液體溫度計(jì)來(lái)說(shuō)ITS-90與IPTS-68相比除冰點(diǎn)沒(méi)有變化外，其余各點(diǎn)溫度變化的最小差值的絕對(duì)值為0.002 ℃，最大差值絕對(duì)值為0.115 ℃，水沸點(diǎn)差值為 “-0.026 ℃”[2].

4小結(jié)

作為基礎(chǔ)教育教師對(duì)有關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)可能難于了解其詳，但是有幾點(diǎn)我們應(yīng)該清楚，其中包括：

(1)現(xiàn)在所說(shuō)的“攝氏度(degree Celsius)”屬于國(guó)際單位制單位,而且只能叫做“攝氏度(degree Celsius)”(符號(hào)為 “℃”)不可簡(jiǎn)稱(chēng)為“度”或別的什么.攝氏溫度的現(xiàn)行定義是t=T-T0, 其中T0定義為等于273.15 K.過(guò)去的由兩個(gè)定點(diǎn)，冰點(diǎn)0 ℃和水沸點(diǎn)100 ℃，并其間等分100等份定義的“攝氏溫標(biāo)”,以及其他經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)(包括“絕對(duì)溫標(biāo)”)已成為歷史.

(3)現(xiàn)行的1990國(guó)際溫標(biāo)ITS-90的定義固定點(diǎn)包括水的三相點(diǎn)273.16 K,0.01 ℃，依此冰點(diǎn)273.15 K,0 ℃沒(méi)有變化；取消了水沸點(diǎn)作為定義固定點(diǎn)(據(jù)筆者所見(jiàn),常用的液體溫度計(jì)的制作廠(chǎng)商仍以冰水混合物的溫度值,即冰點(diǎn)273.15 K,0 ℃作為刻度的定點(diǎn)之一,水沸點(diǎn)不再使用,其他刻度定點(diǎn)是用加熱的油,其溫度值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)確定),水沸點(diǎn)的準(zhǔn)確值不再是373.15 K ,100 ℃(其差值為“-0.026 ℃”),而是373.124 K ,99.974 ℃，然而在日常生活中這是完全可以忽略的，只是作為教師我們應(yīng)當(dāng)清楚其來(lái)龍去脈.

參 考 文 獻(xiàn)

1國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3100～3102-93《量和單位》

2國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量司.1990國(guó)際溫標(biāo)宣貫手冊(cè)

短文薈萃