9. 第九章 基本单位开尔文的发展历程

第九章

基本单位开尔文的发展历程中国计量大学《计量学概论》课程组目录01温标的概念与经验温标02温标的最新进展温标的概念与经验温标PARTONE

温度对人类而言，其重要性是不言而喻的。但是，温度又不像长度和重量那样可以用实物来直接体现，因此，温度的测量有其特殊性。

在人类发展的早期，由于认识水平以及科技发展的局限性，一直都靠感官来感知温度，或者借助于火焰、颜色等现象来判断温度的高低。尽管我们的感官也可以感知温度，但这是很不可靠的，因为不同的人对温度的感知不同。一、温标的概念

为了定量表示温度，就需要建立用来测量温度的标准尺度，我们称之为温标。也就是说，温标是温度的数值表示方法，它包含了温度的数值和单位。只有在确定温标之后，温度计量才有实际意义。严格来说，温度单位的选择实际上就是一个温标问题。

温标的三要素是定义固定点、内插仪器（温度计）和内插函数（内插公式）。温标三要素的选择不一样，所建立的温标就不一样。这样就会给生活、生产以及国际交往带来众多不便。因此，迫切需要有一个公认的温度表示方法，即需要建立“温标”（或称温度标尺）。建立温标的目的就是确定温度的起始值和它的基本单位。华氏温标摄氏温标列氏温标温标的最新进展PARTTWO1848热力学温标的提出1954热力学温度单位的问世1991国际温标2000临时低温温标PLTS-20002018

基本单位“开尔文”的最新定义至今

用经验温标建立的各温标间的量值不统一。同一测温对象，利用两种不同属性的物质建立的两套温标测的结果不会完全一样。为了更精确地测温，需要建立一种完全不依赖于任何测温物质及其物理属性的温标。一、热力学温标的提出

为克服经验温标的缺陷，英国物理学家开尔文1848年提出用热力学温标来统一温度的量值。这一温标是以热力学第二定律中卡诺原理为理论依据提出的。

1824年法国工程师卡诺（Carnot）在热力学第二定律基础上，提出了卡诺定理。根据卡诺定理，温度只与热量有关，而与测温介质无关；两热源物质温度相同，则工作于两热源间的可逆热机热效率相等，因此在理论上温度不会因为不同介质造成不一致，所以热力学温标具有唯一性和稳定性。这种温标只要选定一个固定点，温标上的温度值就可完全确定。热力学温标是一个纯理论上的温标，它与测温物质的属性无关。

热力学温标的零度称为绝对零度，它是理论上推导出来的最低温度，只能无限接近，不能到达。二、热力学温度单位的问世

热力学温标也称绝对温标或开尔文温标，具有十分重要的科学意义。1954年，第10届国际计量大会把热力学温标确定为标准温标，正式定义热力学温度单位为开氏度（°K），并规定了热力学温度单位的定义，即选取水的三相点为基本定点，并定义其温度为273.16°K。1960年，第11届国际计量大会在建立国际单位制（SI）时，规定热力学温度以开氏度为单位，用（°K）表示。这是国际单位制（SI）中的7个基本单位之一。1967年，第13届国际计量大会决定将其改为开尔文（K），并给出开尔文的正式定义：1开尔文等于水三相点热力学温度的1/273.16。其中的三相点是一种物质的三相（气体、液体和固体）在热力学平衡中共存时的温度和压力。

热力学温标是公认的最理想、最基本的温标。以气体温度计标定温度所构成的气体温标最接近热力学温标。但由于气体温度计的复现性较差，国际间又协议定出国际实用温标，以统一国际间的温度量值。国际实用温标几经变革，为的是由此定出的温度尽可能接近热力学温度。三、国际温标及其演变

国际温标是经国际协商决定采用的一种国际上通用的温标。国际实用温标是真正实际使用的温标，它是热力学温标的具体体现。

国际温标制定的原则是：1）尽可能紧密接近热力学温标；2）温标提供温度的方法比热力学温度测量要方便，准确度更高，具有更好的复现性。

但随着计量技术的发展，发现国际温标需不断改进以更好地实现这个原则。所以每隔约20年都要制定一个新的温标代替旧的温标，改进的依据是根据热力学温度测量的结果。现行的国际温标是ITS-90。1923年后，各方面几经讨论，终于准备了一份正式建议给1927年第7届国际计量大会，该届大会通过了这个温标，称1927年国际温标（ITS-27），这是人类历史上第一个国际温标。1927年国际温标以热力学百度温标为最基本的温标，定义的温度单位是一个标准大气压下冰的融化温度（0℃）和水的沸腾温度（100℃）之间间隔的1/100，单位符号为℃。定义的温度范围是-190℃到3000℃，它包括氧沸点、冰融点、水沸点、硫沸点、银凝固点和金凝固点6个固定点，铂电阻温度计、热电偶、光学高温计3种内插仪器和4个内插公式，分为4个温区，每个温区有各自的复现方法，金凝固点以上根据维恩公式延伸。

以后经过多次重大修改，陆续建立了l948年国际温标（ITS-48），1948年国际实用温标（IPTS-48），1968年国际实用温标（IPTS-68）等。1987年第18届国际计量大会上，国际计量委员会根据第7号决议要求建立1990年国际温标（ITS-90）。ITS-

90标准共有4节：第1节为温度单位；第2节为温标通则；第3节为ITS-90温标定义；第4节为有关补充材料及T90–T68的差值。ITS-90定义的温度范围从0.65K向上到根据普朗克辐射定律使用单色辐射高温计实际可测得的最高温度，上限没有限制。ITS-90通过各温区和分温区来定义T90，某些温区或分温区是重叠的，重叠区的T90差异，只有在最高准确度测量时才能觉察到。实际上这些差值可以忽略不计。ITS–90的主要内容包括：1）规定热力学温度T的单位用开[尔文]，符号为K，1K等于水处于三相点时温度值的1/273.16。2）水的三相点定为0.01℃，因此相应地将绝对零度修正为-273.15℃。国际温标同时使用国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90）。3）

ITS-90的核心内容是规定了17个定义固定点及温度值。ITS-90中的固定点热力学温度的赋值，比IPTS-68的赋值更接近热力学温度，是当前技术能测定的最精确值。4）ITS-

90规定把整个温标分成4个温区，各温区选用相应的内差仪器和内差方程来定义标定点以外的温度基准。

为了把温度的正确数值传递到工业温度计上，由国家计量机构按照国际实用温标的规定，建立起基准温度计，再经过逐级检定传递，将温标传递给使用部门，以保证温度量值的统一。我国从1991年7月1日起施行“1990年国际温标”（ITS-90），也就是说，ITS-90是统一我国温度量值的法定标准。我国根据ITS-90建立起的温度国家基准保存在中国计量科学研究院，是我国温度量值传递的源头。四、临时低温温标PLTS-2000ITS-90温标定义下的温度下限是0.65K。为满足更低温测量的需要，2000年10月，国际计量委员会（CIPM）采用温度咨询委员会（CCT）的建议，公布临时低温温标PLTS-2000（符号为T2000）。这个温标的定义是基于3He的熔解压和熔解曲线上的固定点，它的温度定义范围是0.902mK到1K，扩展了ITS-90温标的测温范围。

五、基本单位“开尔文”的最新定义

热力学温标是一个纯理论上的温标，主要应用于科学技术研究领域。然而，“开尔文”存在一定的缺陷，不能满足在低于0.65K和高于1300K的场合使用。因此，重新定义“开尔文”很早就被列入了议程。

从热平衡的角度来看，温度反映的是热平衡系统内部分子无规则运动的剧烈程度。从能量的角度来讲，温度则是描述系统内部不同自由度间能量分布状况的物理量。

国际计量委员会（CIPM）建议采用自然基本常量——玻尔兹曼常量来定义热力学温度单位“开尔文”。玻尔兹曼常量是用奥地利物理学家玻尔兹曼命名的一个物理常量，它能够把气体分子的平均动能与绝对温度联系起来。利用玻尔兹曼常数重新定义开尔文，可以提高对极端低温和极端高温的测量精度。

根据2018年11月第26届CGPM通过的决议，开尔文的最新定义如下：“国际单位制中的热力学温度单位，符号K。当玻耳兹曼常数k以单位J·K-1即kg·m2·s-2·K-1表示时，将其固定数值取为1.380649×10-23来定义开尔文，其中千克、米和秒用h、c和铯-133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率Δν（Cs）定义。”

修订前的开尔文定义仅仅建立在水三相点一个固定点上，要测量比它更高或更低的温度，我们需要根据其他的固定点来延伸温标。而未来我们仅通过玻尔兹曼常量，就可以根据热力学温度与能量的关系，在整个温标范围实现同样准确的温度测量。

开尔文的新定义将不会直接影响温度测量及其溯源。大多数用户都不会注意到新定