热学中为什么先对温度温标作规定

热学中为什么先对温度温标作规定

温标：温度的“标尺”——依据温标就是测量一定的标准划分的温度标志,就象测量物体的长度要用长度标尺——“长标”一样,是一种人为的规定,或者叫做一种单位制.温标包括三个要素：测温物质及其测温属性、定标点、分度法.规定温标是比较复杂的,不能象确定长标那样,在温度计上随便定出刻度间隔.我们首先要确定选择什么样的物质(是水银,还是氢气或是电偶),这些物质的冷热状态必须能够明显地反映客观物体(欲测物体)的温度变化,而且这种变化有复现性(这一步叫选择“测温质”).其次,要知道该测温质的哪些物理量随着温度的改变将产生某种预期的改变(这一步叫确定“测温特性”).比如,水银温度计是用水银做测温质,水银的体积随温度作线性变化,这就是水银这种测温质的测温特性.第三,要选定该物理量的两个确定的数值作为参考点(也叫基准点),进而规定划分温度间隔的方法.华伦海特(G·D·Fahrenheit)最初所制的水银温度计是在北爱尔兰最冷的某个冬日,水银柱降到最低的高度定为零度；把他妻子的体温定为100度,然后再把这段区间的长度均分为100份,每一份叫1度.这就是最初的华氏温标.显然,认定气温和人的体温作为测温质的标准点并在此基础上分度是不妥当的.健康人的体温在一天之中经常波动,而且他妻子如果感冒发烧了怎么办?后来,华伦海特改进了他创立的温标,把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度,以0°F表示之,把冰的熔点定为32°F,把水的沸点定为212°F,在32→212的间隔内均分180等分,这样,参考点就有了较为准确的客观依据.这就是现在仍在许多国家使用的华氏温标[1],华氏温标确定之后,就有了华氏温度(指示数).
后来摄耳修司( A·Celsiua)也用水银作测温质,以冰的熔点为零度(标以0℃),以水的沸点为100度(标以100℃).他认定水银柱的长度随温度作线性变化,在0度和100度之间均分成100等份,每一份也就是每一个单位叫1摄氏度.这种规定办法就叫摄氏温标.
华氏温度计和摄氏温度计使用的是同种测温质(水银),利用了同样的测温特性(水银柱热胀冷缩).但由于规定的标准点和分度单位不同,就造成了两种不同的温标,从而产生了两种不同的温度的数值.
如果选定的标准点相同,但使用了不同的测温质,那么所定出的温标也不会是完全一致的,因为它们的物理性质随温度的改变在不同的范围内可能不会相同.下表列出五种温度计,它们的测温质分别是氢气、空气、铂丝、电偶和水银,其测温的物理性质分别为气体的压强、电阻、电动势和水银的长度,它们的基准点都是以冰的熔点和水的沸点为0度和100度.可以看出,对应同一个客观温度(假定以定容氢气温度计的指示数为标准),各种温度计的读数是不一样的.
以上具体说明了我们的论断：不管是用什么温度计测定温度,都不过是反映了测温质的特性而且还夹杂着温度计结构的影响.例如,水银温度计的玻璃泡和毛细玻璃管都将因为是否含钠或是含钾或是同时含有钠钾而使其零点位置发生变化.因此,任何温度计都不能测定物体的真正温度.由于测温物质和测温特性的选取不同,参考点和分度方法的选择不同,故可以有各式各样的温标.
为了结束温标上的混乱局面,开尔文(即W·汤姆逊)——这位热力学第二定律的创始人,最受尊敬的物理学家,创立了一种不依赖任何测温质(当然也就不依赖任何测温质的任何物理性质)的绝对真实的绝对温标,也叫开氏温标或热力学温标.
开氏温标是根据卡诺循环定出来的,以卡诺循环的热量作为测定温度的工具,即热量起着测温质的作用.正因为如此,我们又把开氏温标叫做热力学温标.卡诺循环描绘了理想热机的基本图案,具有巨大的理论意义.卡诺循环象迷雾中的灯塔,给出了热机效率的上限.