4 温度和温标

开尔文和热力学温标

开尔文勋爵(Lord Kelvin)原名汤姆逊(William Thomson ，1824－1907)，英国物理学家。1848年，开尔文在他的一篇短文《基于卡诺的热的动力论和雷诺观察的计算所得的绝对温标》中，建立了热力学温标，亦称开氏温标─与测温物质的性能无关的绝对温标(读数原点是温度的绝对零度)。开尔文依据足热力学第二定律，特别是卡诺循环的效率与工质性质无关的原理。热力学温度单位(开尔文或开)定为水的三相点热力学温度的16.2731

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开尔文原名汤姆逊，1824年6月26日生于爱尔兰贝尔法斯特的一个数学教师教庭。 开尔文幼年丧母，父亲对孩子们十分疼爱，从6岁起开尔文就在父亲的指导下开始学习数学。1832年，父亲应聘出任格拉斯哥大学的数学教授。8岁的开尔文和10岁的哥哥杰姆就获准在大学里旁听数学、电学课程。小兄弟俩很争气，不仅学会了基本知识，而且还自制了莱顿瓶、伏打电堆等实验器材。1834年开尔文10岁，正式考入格拉斯哥大学预科学习，成为当时世界上年龄最小的大学生。他15岁获得大学物理奖，16岁获得天文学奖，并且因为写了一篇题为《地 球的图形》的论文，获得了大学金质奖章。1841年，他考入剑桥大学，17岁开始研究电磁学和热学，并转赴巴黎，在雷诺的实验室工作。1845年，他以数学考试第二名，史密斯奖金考试第一名的优异成绩毕业。1846年，22岁的开尔文受聘任格拉斯哥大学自然哲学(即物理学)教授。任期一直延续到1899年退休，长达53年。在他任教不久，就用个人菲薄的积蓄在一间废弃的酒窖里建起了实验室。从事研究工作。1851年，开尔文被选为皇家学会会员。1866年，由于装 设大西洋海底电缆有功，被英国政府封为爵士。1877年被选为法国科学院外国院士。1890年当选为英国皇家学会会长。

1892年，维多利亚女王封他为男爵。开尔文本是流经格拉斯哥大学校园的一条小溪的名字，他亲自选定这一名字为其称号，称为开尔文男爵，以后他就改名为开尔文o 1904年

他出任格拉斯哥大学校长。1907年12月17日，开尔文逝世于伦敦，享年84岁，被安葬在威斯敏斯特修道院内离牛顿墓地不远的地方。

开尔文的科学活动是多方面的。他对物理学的主要贡献分布在电磁学、热力学、海底电缆、电工仪表，波动和涡流、以太学说、地球的年龄等6个方面。

1845年，开尔文到巴黎留学，当法国物理学家雷尼奥的研究生，主攻热力学。但在巴黎不到4个月，他就发表了第一篇电学论文，运用镜像法阐述了静电感应的电荷分布。这年夏天，他在剑桥大学英国科学学会的一次会议上，报告了一篇论文，提出磁力线可以用数学来表示，并且介绍了他发现的在带不同电荷的玻璃片中的极化现象。他的工作受到了著名物理学家法拉第的赞赏。就在这次会议上，法拉第和开尔文结成了忘年之交。

1846年，法拉第发现了在磁场作用下，偏振光会旋转的磁致旋光效应。受其启发，开尔文同年11月28日写成一篇论文，通过数学分析方法，建立起静电场和弹性体之间的相似性，得出可以用类似弹性固体中表示位移的方法来研究电磁现象。他力图用数学的方法来统一电力和磁力。他在当天的日记里高兴地写道：「上午10点15分，我终于成功地用『力的活动影像法』来表示电力、磁力的电流了。」这实际上是开尔文为建立电磁理论所进行的开拓性的工作。

1847年，在牛津召开的英国科学协会会议上，开尔文结识了焦耳。在焦耳的影响下，开尔文对热力学开始了深入的研究。第二年，他就创立了热力学温标。随后，开尔文和焦耳一起做了一个实验，发现气体通过多孔物质向低压容器膨胀而降温的现象，这就是著名的焦耳-汤姆逊效应。它为现代低温物理、低温工程提供了重要的理论基础。开尔文是热力学第二定律的两个主要奠基者之一(另一人是克劳修斯)。

他关于第二定律的说法，是公认的热力学第二定律的标准叙述。他还从第二定律断言，

能量耗散是普遍的趋势。

1853年，开尔文用莱顿瓶研究了振荡器放电的性质，用数学分析导出了电振荡方程和振荡频率公式，写成《瞬态电流》这篇有名的论文，走到了发现电磁波的边缘。令人遗憾的是，开尔文没有再向前迈步，因此失去了发现电磁波的机会，但令人欣慰的是，1854年当麦克斯韦向开尔文请教电磁理论研究的时候，开尔文毫无保留地把自己精彩的物理思想和巧妙的数学技巧全部告诉了他，为麦克斯韦日后完整地提出电磁理论提供了决定性的帮助。

从1856年起，开尔文转向海底电缆的研制工作。在他的率领下，英国大西洋海底电缆公司经过10年的艰苦努力，终于在1866年的第4次沉放中，完全成功地铺设了世界第一条永久性的横跨大西洋的海底电缆。据说在付出9年失败的代价之后，许多人心灰意冷，失去了信心。只有开尔文心如铁坚，誓不罢休，建议再进行一次试验。公司总经理忧心忡忡地问开尔文：「您有把握成功吗？」开尔文斩钉截铁地回答说：「我相信大西洋挡不住人类的进步!」开尔文还根据铺设电缆的需要设计造成了静电计、镜式电流计、双臂电桥等多种电学仪器。而且其中的多种仪器以其优越的性能一直延用至今而无大变化。

1896年，开尔文在格拉斯哥大学为纪念他荣任教授50周年大会上说：「我在过去的55年里所极力追求的科学进步，可以用『失败』这个词来标志…在失败中必然有一些悲伤，但是在对科学的追求中，过程本身所包含的努力和斗争也给人带来许多愉快。这就使科学家们避免了苦闷，而且或许还会给他带来日常工作的某种快乐。」这段话既表现了这位科学家的谦虚，也是他奋斗不息的一生的真实写照。

开尔文16岁的时候在日记里曾写下这样的一条诫律：「科学领路到哪里，就在哪里攀登不息；前进吧，去测量大地，衡量空气，记录潮汐；去指示行星在哪一条轨道上奔跑，去纠正老皇历，叫太阳遵循你的规律。」这是何等的气慨！血气方刚的开尔文一踏进科学界，就

有一股强烈的进取劲头。

应该说，电话在英国推广，也归功于开尔文。有一年，开尔文在美国的一个博览会上见到了电话装置，称它是「最令人惊奇的东西」。回国后，他以巨大的热情把电话介绍给英国公众。那知这件事竟使他遭到了所有英国报刊的咒骂。有的说：「电话的发明家是个骗子，一个能做口技的人，一个冒牌货。」有的列举各种「科学的」理由，证明声音根本不可能通过一根导线来传递。开尔文又作讲演、又写文章，做实验，终于让英国人用上了电话。这件事也成了大科学家重视推广普及科学技术的典范。

开尔文是一位公认的知识渊博的学者，他在晚年仍积极学习新知识。1899年新学期开始的时候，75岁高龄的开尔文和学生们一起走进格拉斯哥大学的注册室，在报名单上写下：「开尔文勋爵，研究生。」

温度概念的形成，是热学发展中的第一步，而温度的测定，长期以来被认为是物理学(甚至是整个自然科学)中最重要的问题之一，因而也就成为人们注目的研究课题。到了19世纪，这一课题的研究进入了严密精细地进行实验研究的阶段。开尔文对当时的温标不够满意，他想建立一个与物质的性质无关的绝对温标。1848年，开尔文在他的一篇短文《基于卡诺的热的动力论和雷诺观察的计算所得的绝对温标》中提出：「我所建议的标尺的特点是，任何一度都是有相同的值；这就是说，当一单位的热从这个标尺上温度为了的物体A传给温度为(T-1)的物体B，则不论T的数目是什么，都将给出同样的机械效果。这正好可以用『绝对温标』这个名称，因为它的特点是和任何特殊物质的物理性质完全无关。」为了纪念他的功绩，后人将道一温标称为「开氏温标」，也称「热力学温标」。在1927年第七届国际计量大会上，将这一温标定为最基本的温标，1960年第十一届国际计量大会规定用单一固定点(水的三相点273.16K)来定义，其符号T，单位为开尔文(K)。同时摄氏温度t定义为T-273.15。