温度测量综述——现代计量科学专题之十，本文主要内容关键词为：测量论文,温度论文,专题论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 温度与热
温度是国际单位制中七个基本量之一，是人类接触最早，与人类生存关系最为密切，而又难于理解和不易测准的物理量。在科学地定义温度之前，人们把温度的变化与物体所含的热量混为一谈。直到近两个世纪，随着工业和科学技术的发展，逐渐建立起热力学和统计学理论，温度的本质才逐渐被揭示。
热力学研究的一个重要概念是平衡态，即在没有外界影响的条件下（也就是孤立系统或封闭系统），系统内的各部分在长时间内不发生任何变化的状态。平衡态的一切性质都不随时间变化。热力学中一个特有的平衡态是热平衡态，它被定义为由透热壁所隔开的两个均匀热力学系统最后达到的状态。热平衡是动态平衡，即系统在单位时间内吸收的热量和放出的热量相同。
通过大量的观测可以得到以下结论：任何两个分别同第三个处于热平衡的热力学系统相互间也必定处于热平衡，这就是热力学第零定律。这个定律反映出，处于同一热平衡状态的所有热力学系统都有共同的宏观性质：温度。这样，我们可以给出温度的定义：温度是决定一个系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质。它的特性就在于一切互为热平衡的系统都有相同的性质。温度是系统是否处于热平衡的标志。
温度与热的概念虽然容易混淆，但二者并非没有联系。19世纪中叶，英国科学家焦耳从实验中证实“热是一种能量”。热会由温度高的地方，逐渐传播到温度低的地方，直到两者的温度相同，即达到热平衡。1948年，在国际计量会议上，热被定义为转移的能量，单位与能量的单位相同。我们知道任何物体内的原子或分子都在不停地运动，这些原子或分子的能量统称为物体的内能。若原子或分子的平均动能大，即运动越激烈，则代表物体温度越高；当热能从温度高的物体转移到温度低的物体时，实际上是物体内能的转移，即输出热能的物体，其内能减少，原子或分子的运动减缓，从而温度降低。获得热能的物体其内能增加，原子或分子的运动加快，从而温度升高。
2 温度计与经验温标
热力学定律不仅给出了温度定义，而且给出了温度测量的方法。在测量温度时，将温度计与被测系统接触，经过一段时间后它们达到热平衡，这时温度计的温度等于被测系统的温度。温度计的温度则通过某一状态参量表示出来。1593年，伽利略根据空气受热膨胀的现象制造了一种测温仪，给温度以定性的表示。这是历史上记载最早的测量温度的装置。最早的温度计是费第南二世在1641年制造的，这是一种带色酒精为材料的温度计，并标出了刻度。18世纪初，阿蒙顿改进了伽利略的气体测温仪，利用气体的压强作为温度的量度。制造了第一个定容气体温度计。1709年，华伦海特制成第一支水银温度计，建立华氏温标。从此，温度测量沿着阿蒙顿和华伦海特所开创的道路向前发展，一条是气体温度计为起点的热力学测温技术，另一条是由水银温度计为起点的实用测温技术。1848年，开尔文根据卡诺定理，建立了热力学温标，这是测温学的一个重要里程碑。1871年西门子发现铂电阻温度计的测温原理，制造了第一支铂电阻温度计，1885年勒夏忒列首次使用热电偶测温。
温度不仅要有科学的定义，还应给出温度的数值表示，温度数值表示的方法称为温标。建立一种温标需要三个要素：选择某种物质的某一随温度变化的属性（测温属性）来标志温度；选择固定点；在选定的固定点中间，对测温属性随温度变化的关系作出规定（即内插方法）。按照上述原理，可以建立许多温标，现在依然使用的温标主要有三种：即摄氏温标，华氏温标和列氏温标。这些都是经验温标，均采用线性内插方法。
经验温标由于采用了不同的测温物质（其测温特性也各不相同），却都采用了线性内插的方法。因此，所测得的温度，除了在固定点外，温度不尽相同。因此经验温标与测温物质有关系，从而使温度测量的数值不能统一。经验温标的另一缺点是温标定义的温度范围太窄，不能满足实验需要。
3 热力学温标与国际温标
根据卡诺定理，一个可逆热机工作于温度为T[,1]、T[,2]的两个恒温热源之间，恒温热源的两个温度之比定义为工作期间的可逆热机与热源交换热量之比
Q[,1]／Q[,2]＝T[,1]／T[,2]（1）
当定义水三相点温度为273K时
T＝273.16（Q[,1]／Q[,2]） （2）
这样，热力学温标就确定了。
采用热力学温标有无可比拟的优点。
（1）热力学温标是建立在可逆热机效率的基础上，不依靠任何特定物质及其性质，从而避免了温标的任意性。
（2）热力学温标没有温度范围限制，除了0K不能到达以外，0K 以上任何温度都可以用热力学温标表示。
由于热力学温标解决了其他温标所存在的一切问题，这是迄今为止所建立起来的最完善的温标。因此，热力学温标被采用作为基本温标。一切温度测量值最终都以热力学温标作方基准。
1960年制定的国际单位制上，温度单位用“开尔文”来定义。因此就不必使用热力学温标这一术语，而代之以热力学温度。这样测定热力学温度已不再是确定特定温度在温标上的位置，而是确定它是开尔文的倍数。在计温学中，一般根据热力学基本原理直接给出热力学温度的仪器称为原级温度计，原级温度计的装置十分复杂，成本非常昂贵，实现热力学温度也特别困难。更为重要的是，原级温度计难以保证有较高的复现性，因此在国际上不能确保温度数值的准确性和一致性。而它们的测量范围又受到很大的限制。鉴于以上问题，为了解决国际上统一温度量的需要，建立了国际上的协议温标，即国际温标，国际温标是按如下基本原则建立起来的。
（1）认为热力学温度是基本物理量， 因而国际温标的温度量值应尽可能同热力学温度一致。
（2）为了保证各国温度量值完全统一， 要求国际温标的复现精度很高，使各国都能以很高的精度复现同样的温标。
（3）温标所使用的内插温度计比原级温度计使用上更方便、 简单。
从1927年第7次计量大会上通过了第一个国际温标——1927 年国际温标（ITS－27）以来，这以后实施了四个国际温标即ITS－48，ITS －68和ITS－90。总的说来，每一次修订都是一次进步， 主要体现在以下几个方面：所定义的温度值要更接近于热力学温度值，温度范围得到了扩大，减小或消除了某些温度范围内的不光滑性，温标的非唯一性逐步减小。
4 1990年国际温标（ITS－90）简介
1990年国际温标是国际计量委员会根据1987年第18届国际计量大会第7次决议的要求，于1989年会议通过。ITS－90通过各温区和分温区来定义。
（1）0.65K到5.0K之间，T[,90]由[3]He和[4]He的蒸气压与温度的关系式来定义。
（2）由3.0K到氖三相点（24.5561K）之间，T[,90] 用氦气体温度计来定义。它使用三个定义固定点及利用规定的内插方法来分度。定义固定点是：氖三相点（24.5561K），平衡氢三相点（13.8033K）及3.0K到5.0K之间的一个温度点。
（3）平衡氢三相点（13.8033K）到银凝固点（961.78℃）之间，T[,90]是用铂电阻温度计来定义的，它使用一组规定的定义固定点及利用所规定的内插方程来分度。
（4）银凝固点（961.78℃）以上，T[,90]借助于一个定义固定点和普朗克辐射定律来定义。
中国计量科学研究院从1990年起，复现了从平衡氢三相点（13.8033K）到银凝固点（961.78℃），用铂电阻温度计来定义的温标；银凝固点（961.78℃）以上借助普朗克定律来定义的温标。但限于当时的人力和财力，中国计量科学研究院没有复现从0.65K到5.0K 以氦蒸气压定义的温标和3.0K到氖三相点之间以氦气体温度计定义的温标。目前，随着国际上低温物理的空前活跃，建立更低的温度标准迫在眉睫。中国计量科学研究院也在积极筹备人才物力，争取早日建立以气体温度计来定义的温标。
ITS－90的定义固定点
物质 平衡温度物质 平衡温度
给定值/K 给定值/K
平衡氢三相点 13.8033
铟凝固点
429.7485
氖三相点 24.5561
锡凝固点50.078
氧三相点 54.3584
锌凝固点
692.677
氩三相点 83.8058
铝凝固点
933.473
汞三相点 234.3156 银凝固点
1234.93
水三相点 273.16金凝固点
1337.33
镓熔点302.9146 铜凝固点
1357.77
5 超高温与超低温测量
超高温测量是指4000℃以上的温度测量。电弧和等离子体喷射装置可以获取4000℃以上的温度，磁约束受控核聚变反应堆及激光核聚变反应堆可达10[8]℃。在超高温测量中，传统的光学高温计已不适用，主要采用的测量方法有：高温等离子体温度诊断方法，即利用高温等离子体粒子间相互作用而诊断温度的方法，可用来测量离子温度和电子温度；能谱分析法，利用等离子体的高能粒子能谱分布来测温；中子检测法，是通过探测中子通量来诊断离子温度；静电探针法，对于密度较小，温度较低的等离子体可采用静电探针法来测量，这种方法又称为朗谬尔探针法，简单可靠，使用方便，但缺点是探针与等离子体有强烈的相互作用，探针直接受粒子的轰击和电磁辐射，会引起一定的温升，严重时甚至会熔毁探针；光谱法，利用等离子体辐射出的谱线密度和其温度有关，通过测定谱线的辐射密度来确定温度；快扫描红外傅里叶变换光谱议，它可以在单个等离子体脉冲期间测出几十个干涉图，通过这些干涉图傅里叶变换，得出一系列与之对应的辐射光谱分布，从而反映出等离子体脉冲寿命内电子温度变化的信息；外差温度计，采用GaAs肖特基二极管外差接收系统，可以对托卡马克装置的等离子体中心区域的电子温度及其时空分布进行有效诊断；另外，微秒级多色高温计和快扫描光栅分光测温仪主要用于瞬态高温测量。
超低温测量即1K以下的温度测量。1908年，卡末林－昂内斯在热力学温度4.3K时完成了氦的液化。接着用液氦减压的方法可使温度降低到0.9K，后来用[3]He减压可达到0.3K， 这是用自然界的气体所能达到的最低温度，再低的温度则需要用其他方法获得。现在所能达到的最低温度是通过二级核绝热去磁，可达5×10[－9]K。 超低温的测量一般都用原级测温技术，即热力学温度测量。通常利用的热力学温度计有：磁温度计，在这个温区内使用顺磁盐硝酸铈镁作为测温物质，其磁化率温度系数可通过核磁共振的方法得到，这种温度计可测量10mK的温度；核定向温度计，通过定向放射性核发射的γ射线测量温度；穆斯堡尔效应测温法等。低温的测温技术常常同获取低温的方法相联系。当用顺磁盐绝热去磁获取毫开级的低温时，测温方法通常用顺磁盐磁温度计；当用核自旋绝热去磁达到微开级的低温时，往往用核自旋温度计测量温度；泡么朗楚克发现当固体[3]He在0.3K以下时，对其加压可使温度降低到1mK，这时可通过[3]He的融化压强测量温度；当用稀释制冷机达到毫开温度时，可用渗透压测量温度。此外，在次级测温方法中，铑铁温度计可测量0.1K甚至更低的温度；半导体温度计在超低温下具有很高的灵敏度，但高电阻会导致高自热，影响精度；某些放射性物质的核定向极化率与温度有严格的关系，可以用来测量温度，称为核定向测温法。
6 国际温标的发展与技术
一个国际温标能否被接受，取决于它是否能满足工业和科学技术发展的需要。从建立第一个国际温标ITS－27开始， 随着工业和科学技术对温度测量要求的提高，对国际温标做了一次又一次的修订，直到1990年颁布ITS－90温标。在每次国际温标修订之后或修订过程中， 都会发现一定的缺陷和不足之处，于是，国际上从事温度计量的科学家又开始了新的修订国际温标方面的研究工作。就最新的国际温标ITS－90来说，所定义的温度值已非常接近当代热力学温度测定值，对工业测量来说，基本上已能满足需要，但对于科学测量而言还有改进的必要。一方面是利用现代高科技进一步提高热力学温度测定的准确度，另一方面设法减小与热力学温度之间的差值和改善其光滑性。因此，今后的修订可能主要是数值上修订，修正的主要方式为修正表或偏差表。至于国际温标存在的必要性，目前看来还要持续一段时间，主要取决于热力学温度测定的发展状态。当科学技术发展到这样的水平，使得热力学温度的测定变得比较简单易行，且复现性与最好的次级温度计（如铂电阻温度计）的复现性一样时，国际温标存在的必要性就不大了，那里就可能直接用基准测温法来定义温度值。
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