温标的确定和发展：从实验走向科学发展史

为了确定物体温度的数值，应给出温度的数值表示法——温标。虽然意大利西芒托学院为温度计选择了两个固定温度点并把其中间隔分成适当的等份，但在使用过程中，有人对他们选择的固定温度点并不满意，提出了种种改进方案。阿蒙顿在1702年改进了伽利略的空气温度计，并且选择水的沸点作为一个固定点，但他不知道水的沸点取决于大气压强。因此，这种温度计测得的温度数值准确程度不够高。但是，阿蒙顿在他的研究过程中第一次提出了绝对温度概念。

1.华氏温标

受阿蒙顿影响，华伦海特开始研究温度计的精确结构，他对阿蒙顿关于沸点恒定性的研究很感兴趣。由于想知道各种液体的性质，他做了一系列实验，发现每一种液体都像水一样有一个固定沸点，且沸点会随大气压变化而变化。这一发现对精密计温学是一个很大贡献。华伦海特制作的温度计以人体血液温度（96度）、氯化铵和冰水混合物的温度（0度）作为上下两个固定点，并把其间分成96等份，每等份为一度；后来，他还做了调整，把纯水的冰点定为32度，沸点定为212度，中间分为180等份，这就是华氏温度，常用“F”表示。在我国，这种温标应用较少，而在英美等国则被广泛使用。

资料：1714年，德国物理学家丹尼尔·家百列·华伦海特基于虎克的研究，将冰与盐混合后所能达到的最低温度定为0°F（-17.7℃），而概略地将人体温度定为100°F（37.7℃），两者间等分成100个刻度。

根据德国科学家华伦海特于1724年所写的一篇期刊，他使用三个参考温度来标示他的刻度。将温度计放入由冰、水以及氯化铵所混合而成的盐水中，量得的刻度即为零度。盐水是一种制冷混合物，可以将温度自动维持在华氏零度。第二个刻度是32℉，为将温度计放于恰好有冰形成于表面的水中所量得的刻度。第三个刻度为96℉，为将温度计含入口中或夹在腋下时所量得的刻度。华伦海特表示，使用此一刻度，水银约在600℉时沸腾。

之后，其他科学家观察到水的沸点比冰点约高180℉，并决定重新决定华氏温标，使得沸点刚好高于冰点180℉。因为这个缘故，人体的正常体温也被修正成了98.6℉，而不是原来的96℉。

2.摄氏温标

尽管华伦海特在温度计的刻度准确性上取得了成功，但有人认为用人体血液温度作为温度基准点并不理想，因为不同健康人的血液温度不完全相同。因此，许多人又开始研究更先进的刻度方法。1730年，法国博物学家列奥米尔建议在温度计中使用酒精和水的混合液代替水银，他提出把水的凝固点作为0度、在标准大气压下的沸点定为80度，这就是列氏温标。列氏温标公布后，瑞典天文学家摄尔修斯认为从0到80的刻度有些别扭。1743年，他提出用水的沸点作为0度，将冰的熔点记为100度，理由是在标准大气压下水的沸点和冰的熔点都非常确定，容易生产重复性好的温度计。他的这种刻度方法受到了普遍欢迎。8年后，摄尔修斯的同事施勒默尔将摄氏标度倒转过来，即以冰的熔点为0度、以水的沸点为100度，这就是现在得到世界公认的摄氏温标。由于百分刻度是摄尔修斯首先提出来的，所以用摄尔修斯名字的第一个字母“C”表示摄氏温度“℃”。(www.xing528.com)

摄氏温标由于所选量度体系同测温物质的特殊性质有关，因此，各种不同的摄氏温度计在测量同一对象的温度时，所得结果除冰点和沸点相同外，其他温度出现了差异。产生差异的原因是：第一，温标的确定依赖某一物质的特殊性质；第二，选择测温属性所对应的物理量与温度变化的关系不一定是线性的。虽然测温差异较小，实用上可忽略，但是温度在热力学理论中是一极为重要的概念，所以还是必须有一个统一的标准。

3.理想气体温标

在摄氏温标中，由于所选水的冰点和沸点两个固定点随压强变化而变化，因此，1954年国际上规定只用一个标准固定点来建立温标，即选取水的三相点（水蒸气、水和冰三相共存的温度点）作为固定点，并取水的三相点温度为273.16K。把理想气体作为测温物质，并选择其体积或压强为测温属性所对应的物理量制成的温度计被称为气体温度计。当气体温度计的测温泡内的气体极其稀薄时（气体压强趋于0），无论是定容还是定压变化，也无论泡中装的是什么气体，各种气体温标都趋于同一极限值，这个极限温标叫作理想气体温标。因理想气体温标不依赖任何一种气体的特性，故可把它作为标准温标。但上述温标还不一定是最好的，因为它仍然同所选测温物质——理想气体的共同属性有关，对极低温度（气体液化点以下）和高温就不适用，在这些温度范围内的气体已不是理想气体了。因此，理想气体温标的整个量度体系仍然建立在气体特性的基础上。是否可以建立一种完全不依赖任何测温物质及其物理属性的温标呢？

资料：理想气体温标——为了定量地进行温度的测量，必须确定温度的数值表示方法。温度的数值表示法叫温标，理想气体温标是一种有重要理论和实际意义的温标。下面介绍它的确定方法。波义耳定律指出：一定质量的气体，在一定温度下，其压强p和体积V的乘积是个常数，即：p V=n Rt（温度不变）。针对不同的温度，这一常数的数值不同。各种气体都近似地遵守这一定律，而且压强越小与此定律符合得也越好。为了表示气体的这种共性，我们引入理想气体的概念。理想气体就是在各种压强下都严格遵守波义耳定律的气体，它是各种实际气体在压强趋于零时的极限情况，是一个理想模型。既然对一定质量的理想气体，它的p V乘积只决定于温度，我们就可以定义一个温标，叫理想气体温标，这一温标指示的温度值与该温度下一定质量的理想气体的p V乘积成正比，以T表示理想气体温标指示的温度值，则应有p V∞T。这一定义只能给出两个温度数值的比，为了确定某一温度的数值，还必须规定一个特定温度的数值。1954年，国际上规定的标准温度点为水的三相，即水、冰和水蒸气共存而达到平衡态时的温度（这时，水蒸气的压强是4.58 mmHg，约609Pa）。这个温度被称为水的三相点温度。若以T1表示此温度，它的数值规定为273.16K（式中，K表示理想气体温标的温度单位），以p1和V1表示一定质量的理想气体在水的三相点温度下的压强和体积，以p和V表示该气体在任意温度T时的压强和体积，则，即。所以，只要测定了某状态的压强和体积的值，就可以确定该状态相应的温度数值了。

4.热力学温标

英国物理学家开尔文在热力学第二定律（分子有规则运动的机械能可以完全转化为分子无规则运动的热能；热能却不能完全转化为机械能）的基础上建立的热力学温标，完全不依赖任何测温物质及其物理属性，而且有着根基牢固的理论基础，定义严谨。所以，国际上规定热力学温标为基本温标。虽然这一温标难以按其定义去实践，但可以证明，在理想气体温标所能确定的温度范围内，热力学温标与理想气体温标所确定的温度相等，从而使热力学温标通过理想气体温标而具有现实意义。后人为了纪念开尔文的贡献，把热力学温标又叫作开尔文温标，用K表示这种温标定出的温度单位（例如，水的三相点温度为0.01℃，热力学温度为273.16K）。

小贴士：K是现行SI单位制中的七个基本单位之一。1960年，国际计量大会对摄氏温标作了新定义，规定它由热力学温标导出，两者关系为T=tc+273.15。