【每周科普】【18】三大溫標之三——熱力學溫標

2021-02-07 物理學習研究

 威廉·湯姆遜(William Thomson,1824~1907,後來被封為開爾文勳爵,即Lord Kelvin of Largs,所以後世常稱其為開爾文),1824年6月26日生於北愛爾蘭貝爾法斯特。他的特殊天賦和理解力很早就表現出來了,  16歲開爾文作為大學生轉學來到劍橋,在劍橋他所有功課成績都很優秀,最後更是以全級第二名的成績順利畢業。他畢業後到了巴黎,在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。

      

       

1846年,年僅22歲的開爾文再次回到了格拉斯哥大學,不過這一次他是來擔任自然哲學 (即現在的物理學))教授的,在這個崗位上他一直到工作到1899年退休為止,任職達53年之久。由於裝設第一條大西洋海底電纜有功,英政府於1866年封他為爵士,並於1892年晉升為開爾文勳爵,開爾文這個名字就是從此開始的。1890~1895年任倫敦皇家學會會長。1877年被選為法國科學院院士。1904年任格拉斯哥大學校長,直到1907年12月17日在蘇格蘭的內瑟霍爾逝世為止,享年84歲。他是19世紀傑出的和受人尊敬的自然科學家。他把最後的長眠之處選在威斯敏斯特教堂,位於牛頓的旁邊。

開爾文在講課的時候很有意思,他強烈反對照本宣科,他說:「我取消了上課宣讀發了黴的論文的辦法。」他的課堂和實驗室裡堆滿了各種各樣的儀器,五花八門。小配件堆在桌子上,有的吊在天花板上,有的還掛在牆上。在課堂的一角,從天花板上吊下一件看上去平凡無奇的裝置——一個覆蓋著橡皮薄膜的金屬圈,是用來揭示露滴的性質的。有一天,他叫人弄了一些水來,把水澆在金屬圈上,使橡皮往下垂脹,加上很多的水之後,最後橡皮被撐破了。水一直濺到了教室前排學生的頭上。開爾文笑了,「我向來喜歡把我的證明浸透到你們的心裡去。」 

     

       湯姆遜的興趣一向在熱力學和電學方面。熱能的研究使他認識了一個可能最低的溫度,即溫度的極點——絕對零度,這相當於-273.15℃。他把這個溫度點當作一個新的溫度和溫標的出發點。早在1787年,法國物理學家查理(J.Charles)就發現,在壓力一定時,溫度每升高1℃,一定量氣體的體積的增加值(膨脹率)是一個定值,體積膨脹率與溫度呈正比關係。起初的實驗得出該定值為氣體在0℃時的體積的1/269,後來經許多人歷經幾十年的實驗修正,特別是1802年法國人蓋-呂薩克(J.L.Gay-Lussac)的研究,最後確定該值為1/273.15。

1854年,湯姆遜進一步指出,只要選定一個固定溫度——「水的三相點」,即水、冰、水蒸氣三相共存的溫度,溫度值就完全可以確定下來,這是因為另一個固定點——「絕對零度」已經確定下來。把絕對零度到水的三相點溫度等分為273.16份,每一份就是1開氏度,這就是開氏溫標,用K表示。溫標的分度間隔和攝氏溫標的間隔是一致的。

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