图5.0-12 3He 溶解曲线
2.低温恒温器及温度控制
1)低温恒温器。
低温实验通常是在低温恒温器里进行的。低温恒温器就是在低温下一定的温度范围内，能满足特定低温实验条件的恒温装置。他通常由盛装低温液体的杜瓦瓶、感温元件与温度调节机构等组成。
①低温液体。常用的低温液体有液氧、液氮、液氢、液氦等。由于这些低温液体的沸点比室温低，保存在低温容器里在常压下大都处于沸腾状态，温度衡定于沸点温度。一般情形下不采用升高压力提高沸点，而是利用抽气机降低液体的蒸汽压获得如下温度范围。
液氧 90.2 ~ 54.4K 液氩 87.4~ 83.8K
液氮 77.3 ~ 63.1K 液氖 27.1 ~ 24.6K
平衡氢 20.3~ 13.8K 液4He 4.2 ~ 0.8K
液3He 3.2 ~ 0.3K
以上所列低温液体中，最常用于低温实验的是液氮和液氦。
②杜瓦瓶。1892年杜瓦（J.Dewar）发明了贮存低温液体的高真空夹层密封容器，通常称为“杜瓦”瓶。低温液氦实验中常用两种杜瓦瓶，一是为贮存于运输用的，二是为实验用的。玻璃杜瓦瓶的防热辐射银镀层要留一条缝称为窥缝，用以观察低温液体的液面。液氦实验装置要复杂些，常在盛装液氦的杜瓦瓶外套置盛装液氮的杜瓦瓶，以减少热量传递。近年来多层绝热技术发展很快，在此基础上制造的液氦杜瓦瓶可以提供稳定可靠的低温实验条件。
必须注意，通常用来贮放液氮和液氦的金属杜瓦瓶在真空夹层内衬有活性炭或渗碳纸，遇富氧易引起爆炸，因此这种金属杜瓦瓶不允许盛装液氧。
2)温度调节。
最简单的温度调节是将实验样品直接浸泡在低温液体内，改变液体的蒸发气压也就相应改变了样品的温度。另一种是将样品置于密封的容器内，容器浸于低温液体中，利用加热丝给样品输送热量。当单位时间输送给样品的热量与漏走的热量相平衡时，就获得一稳定的温度。改变加热丝的功率或调整样品与周围低温液体间的漏热，可以获得不同的稳定温度。在此基础上已有各种型号、规格的电子控温仪可供使用。
3.低温温度计其测量
低温温度的测量是物理实验的基础，没有正确的温度测量，就说不上进行低温下任何物理性质的研究。
1)温度和温标。
温度是最基本的物理量之一。测量温度的仪器称为温度计。温度的数值表示方法称为温标。温标可用某系统的任一与温度有关的性质定出来。如沸点、凝固点、三相点等。借助于某些随温度而变化的物理量，如固体、液体或气体的热膨胀系数，金属材料的电阻率或热电势，磁性材料的磁化率等，可以测量温度。但是长期来对温度而言，我们所做的却不是测量而只是做标志，也就是说，只是确定温标上的位置而已。这种状况在1967年使用温度单位——开尔文（K）以后有了变化，由此，温度单位的定义的现代化总算完成。1967第十三届国际计量大会（CGPPM）确定，将热力学温度的单位——开尔文定义为：水三相点热力学温度的1/273.16。这样，就完全适合1960年制定的国际单位制（SI）的表达形式。由此，热力学温度的大小就同国际单位制中其他物理量一样，可用（数值）×（单位）的形式表示。用单位“开”来定义温标，也就无须使用“热力学温标”这一术语了。
2)热力学温度和国际温标。
能够统一而又明确地描述热力学性质和现象的温度是“热力学温度”。1848年开尔文（Kelvin）首先提出将温度数值与可逆理想热机的效率相联系，根据热力学第二定律来定义温度的数值，这样，就与任何特定物质的性质无关。现在人们通常把用这种方法定义的温度称为“热力学温度”。热力学温度是国际上公认的最基本的温度，一切温度测量最终都以它为准。计温学的基本问题之一，使我们不能把实际系统的可测性质与热力学温度联系起来而写出一个完善的表达式。我们所以能够做到的只是用实际系统来逼近理想的行为。凡能符合这个要求的温度计，均称为基准温度计(Primary thermometer)。如常用的定容气体温度计就是一例，它的表达式为
pV=nN0kT
（
式中：p为气体的压力，V为气体的体积，n为气体的摩尔数， N0为阿伏加德罗常数，k为波耳兹曼常数，T为热力学温度。此式描述了低密度极限时的实际气体行为。另一种温度计，我们称之为次级温度计或使用温度计，它的表达式往往不是基于严格的理论公式，而是依靠较为简单的经验公式，便于实验数据的拟合，如电阻温度计、热电偶温度计等。
随着工业和科学技术的发展，要求统一温度量值的呼声日益高涨，1927年第七届国际计量大会通过的“1927年国际温标（ITS-27）”成为人类社会第一个国际温标。这是一种易于复现的，并在当时知识和技术水平下尽可能与热力学温度相一致的经验温标。建立国际温标应包括三项主要内容：①确定一系列固定的温度点，并赋予最佳的热力学温度值；②指定内插仪器；③确定不同温度范围内不同的内插公式。所以，国际温标原则上应该是以定义简单，易于复现，按此得到的值十分接近于热力学温度值，并且在测量范围和精度上以满足需要为前提。
3)1990年国际温标。
随着生产力的发展和科学技术进步，从第一个国际温标——ITS-27问世至今，已经经历过“1948年国际温标（ITS-48）”，“1948年国际实用温标（IPTS-48,1960年国际计量大会通过）”，“1968年国际实用温标（IPTS-68）”以及“1976年0.5~30K临时温标（EPT-76）”。1989年第77届国际计量委员会会议根据1987年第18届国际计量大会第7号决议的要求，正式通过了“1990年国际温标（ITS-90），以替代“ITS-68”和“EPT-76”。国际上自
1990年国际温标对温度单位、固定点、固定点间的内插（经验公式和仪表）等作了一系列的规定，现摘要给出温度单位和定义的固定点。
①温度单位。热力学温度（符号为T）是基本的物理量，其单位为开尔文（符号为K）定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。
由于在以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此，现在仍保留这方法。用这种方法表示的热力学温度成为摄氏温度（符号为t），定义为：
t/
摄氏温度的单位为摄氏度（符号为oC），根据定义，它的大小等于开尔文，温差可以用开尔文或摄氏度来表示。之间的关系与T和t一样，
1990年国际温标（ITS-90）同时定义国际开尔文温度T90和国际摄氏温度t90。T90和t90之间的关系与T和t一样，即
t90/oC=T90/K-273.15
(
物理量T90的单位为开尔文（符号为K），而 t90的单位为摄氏度（符号为℃），与热力学温度T和摄氏温度t一样。
②ITS-90定义固定点。ITS-90定义的17个固定点列于表5.0－3中。
4)低温实验常用的低温实用温度计。
为满足各种不同的要求，已研制出多种次级实用温度计，它们各有特点。由于这些元件大多与元件的电性质有关，因此实用温度计常称电温度计。表-2给出了常用的低温实用温度计适应的温度范围、复现性、迟滞时间等。作为比较也列出了气体温度计和蒸汽压温度计的相应数据。在实际工作中，我们应根据测量的具体要求，权衡绝对精度、灵敏度、复现性、迟滞时间、热效应与磁效应，以及成本和元件尺寸等因素，选取适当的温度传感器，以满足日益发展的各种低温温度测量的需要。
表5.0-3 ITS-90 定义固定点