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【科學講堂】°C°F一邊企 科學家愛用K

2017-01-25
■水的三相點是指3種形態-固態、液態及氣態共存。 網上圖片■水的三相點是指3種形態-固態、液態及氣態共存。 網上圖片

計算得出開氏溫標 2018年以實驗定義

前期討論的攝氏及華氏溫標,雖然在日常生活中十分常見,但它們均非國際單位制(SI)的單位。

科學家量度溫度使用開氏,這是7個國際單位制的單位之一,以K表示。與攝氏及華氏不一樣,開氏是一個絕對標度,即它是單向性,有一個絕對而且天然的零度,同時沒有負數。

開氏(William Lord Kelvin,1824-1907)認為,所有物件的粒子會在絕對零度(absolute zero)中停止運動,並計算出絕對零度為攝氏-273.15°C,一開氏的溫差被定義為一攝氏的溫差,所以要從攝氏度算出開氏,只要把攝氏度加273.15就可以了,即攝氏零度等於273 .15K。

開氏是一個計算得來而非以實驗量度出的溫標,於2018年,科學家決定重新以嚴謹的實驗方式定義開氏。

4化學術語與K相關

在定義開氏之前,我們先溫習幾個中學化學課程中常見的術語:

亞佛加德羅常數

亞佛加德羅常數(Avogadro constant, NA)為一摩爾(1 mole)的物質內有的原子或分子,國際單位際中,這個數被定義為6.022140857×1023 mol-1。考試時,我們會取6.02×1023 作方便計算之用。

水的三相點

水的三相點(triple point)這個概念有點違背常識,三相點是指一種物質的3種形態:固態、液態及氣態共存,出現這情況的溫度及氣壓分別為0.01°C及0.00603659大氣壓力(atm)。

摩爾氣體常數

在理想氣體物態方程(Ideal Gas Law)常出現的摩爾氣體常數(Gas Constant,R),中學課本均沒有解釋其出處,我們只是記茈扛獐ぉ為8.3144598 J mol-1 K-1。那麼到底這個數是從何而來的?

2006年,科學家作了一次最精密的量度,他們先量度聲音在氬氣中的速度。為什麼是氬氣?先前的「科學講堂」提過,氬氣為地球上的第三常見氣體,是貴族氣體中最便宜的,而且它是不良傳導體,故適用於這個很易受溫度影響的實驗中。

聲音在氬氣中的速度在不同的溫度下會改變,溫度愈高,聲音的速度會愈快。所以,科學家在水的三相點(triple point)的溫度量度聲音在氬氣中的速度。

及後,科學家改變實驗中的氬氣的壓力,試圖推算出在當壓力為零時,聲音在氬氣中的速度如何。

最後,他們以這數據,找出在實驗中的常數:即每一摩爾的物質中,每上升一度所需能量,這就是摩爾氣體常數。

波茲曼常數

摩爾氣體常數為每一摩爾的物質中,每上升一度所需要的能量。而波茲曼常數(Boltzmann constant,kB或k)是每一粒粒子上升一度所需要的溫度,所以把摩爾氣體常數除以亞佛加德羅常數就可知道波茲曼常數。科學家把波茲曼常數的數值定義為1.3806505×10-23 J K-1。

2018年,科學家就以波茲曼常數再加以嚴謹的實驗來重新定義開氏,這個定義讓其他的SI單位更穩定。而實際上,這個新的定義與舊定義的數值一樣,即水仍在攝氏零度結冰。下期「科學講堂」將探討國際單位制中的光度。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾任教於加州的州立大學及香港大學,現於洛杉磯Pierce College化學系任助理教授。

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