开尔文(K)- 热力学温度单位

 

开尔文的定义

开尔文,国际单位制中的热力学温度单位,符号K。当玻尔兹曼常数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1.380 649×10-23来定义开尔文,其中千克、米和秒用hc和ΔVCs定义。

 

开尔文定义的变迁

开尔文的量值被准确、稳定、一致地复现,是保证全球范围温度测量一致和准确的前提。开尔文的定义,可追溯至1848年,英国物理学家威廉·汤姆森(开尔文勋爵)根据一个理想可逆循环热机效率(或进出系统的热量之比)为常数的物理规律,提出的热力学温度标尺概念、以及在某个热状态恒定的固定点(如纯物质相变点)上定义该标尺单位。在该建议提出一百多年后的上世纪五十年代起,开尔文被定义为水三相点热力学温度的273.16分之一。从原理上,水三相点是自然常数,具有唯一性。然而,国际计量界系列科学研究和国际计量委员会开展的水三相点关键比对都显示,水中氢氧同位素丰度随水源、蒸馏工艺过程不同会有明显差异;三相点容器长期存放,器壁钠元素会污染纯水,这些因素都致使实际复现的水三相点有可能偏离开尔文定义值。

图:水源、蒸馏工艺不同,同位素丰度不同,三相点温度不一致,水三相点容器杂质溶解,长期保存不稳定

鉴于时间和长度单位定义在基本物理常数上所取得的成功,国际计量委员会于2005年提议,将其余几个基本单位全部定义在基本物理常数上,从而改变基本单位自有定义以来依赖于实物基准的历史。第24届国际计量大会正式批准七个基本单位定义在基本常数上的建议。

国际计量界重新定义开尔文的工作分为两个阶段,即玻尔兹曼常数 kB 重新定值阶段和实施新开尔文定义阶段。目前,国际计量界重新定义开尔文的研究重心位于kB重新定值,研究焦点是在当前的开尔文定义点即水三相点上,应用当前最尖端基准热力学温度测量技术,以最佳的准确度测量kBT并获得kB,以确定开尔文新定义中的数值。如此,可使得新定义的开尔文尽可能地与原定义的开尔文“无缝”衔接,降低新定义对现有开尔文定义和国际温标造成的冲击,使得实施新开尔文定义,不造成社会使用成本的增加。第二阶段是实施新开尔文定义的阶段,kB值被“冻结”后将成为恒定值,根据新开尔文定义,采用基准热力学温度计测量平衡态系统的平均能量获得kBT,就能够确定该状态的热力学温度值。

根据国际计量委员会温度咨询委员会的要求,基于kB重新定义开尔文,应满足两个条件,一是国际科技数据委员会(CODATA)根据全球精密测量结果给出的kB推荐值不确定度小于1×10-6,二是至少有两种基于完全独立物理原理的实验方法能够实现不确定度小于3×10-6的玻尔兹曼常数测量。截至2017年7月1日,上述要求已全部满足,2018年11月,国际计量大会通过了对开尔文重新定义的决议,2019年5月20日开始正式实施新的开尔文定义。