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文檔簡介

1、溫度和壓力的測量一、溫度的測量 溫度是一個用來表征物體冷熱程度的物理量,它是物質內部大量分子做無規(guī)則運動強度的一種量度。 分子無規(guī)則運動的強度越大(即分子的平均平動能越大),溫度就越高。 一個體系達到熱平衡狀態(tài)時,體系各個部分的溫度相等。 當兩個溫度不同的物體相接觸時,熱從高溫物體傳給低溫物體。 1、溫標 溫標是溫度量值的表示方法,確立一種溫標應包括:確定固定點 選擇測溫儀器 分度方法的規(guī)定。目前,物理化學中常用的溫標有兩種:熱力學溫標和攝氏溫標。(1)、攝氏溫標 固定點定義:在標準壓力 p 下,水的凝固點為0度,沸點為100度,且在這兩點之間劃分為100個等分,每一等分代表1度,稱為1攝氏度

2、,單位符號為,攝氏溫度的符號用t表示。 攝氏溫標所用的測溫儀器為水銀-玻璃溫度計。以水銀作為測溫物質,利用水銀的膨脹系數(shù)與溫度成線性關系設計而成的。01000100 xxxxt 攝氏溫標計算溫度數(shù)值的內插公式為: (x為測溫物質的某種性質,如體積v)()、熱力學溫標 熱力學溫標也稱開爾文溫標,是一種理想的絕對的溫標,單位為K,用熱力學溫標確定的溫度稱為熱力學溫度,用T表示。 熱力學溫標用單一固定點定義,1954年第十次國際計量大會決定,以水的三相點為基本固定點定義熱力學溫標,并指定它的溫度準確為273.16K,確立了SI單位制中的熱力學溫標體系。 國際計量局在公布熱力學溫度單位的定義時,還對攝

3、氏度單位作了以下的說明: 除開爾文表示的熱力學溫度(符號T)以外,也使用由式t=T-T0所定義的攝氏溫度(符號t)。按定義,式中T0 =273.15K(水的凝固點的熱力學溫度),即:T/K=273.15+t/。 開爾文溫度與攝氏溫度的分度值是相同的,因此溫度差可用K表示也可用表示。即:T=T2-T1=t2-t1=t2、溫度計 溫度計按測溫的物理特性可分為:接觸式溫度計與非接觸式溫度計;按用途又可分為:溫度測量與溫差測量兩類。 接觸式溫度計是根據(jù)熱平衡原理設計的,是利用物質的體積、電阻、熱電勢等物理性質與溫度之間的函數(shù)關系制成的。測溫時須將溫度計觸及被測體系,使其與體系處于熱平衡,兩者的溫度相等

4、。這樣由測溫物質的特定物理參數(shù)就可換算出體系的溫度值,也可將物理參數(shù)值直接轉換成溫度值來表示。 利用電磁輻射的波長分布或強度變化與溫度間的函數(shù)關系制成的溫度計是非接觸型的。 這一類溫度計的特點是:不干擾被測體系,沒有滯后現(xiàn)象,但測溫精度較差。(1)、水銀溫度計構造:以水銀作為測溫物質,將其裝在一支下端帶有玻璃球的均勻毛細管中,上端抽成真空或充以某種惰性氣體。溫度變化引起水銀體積改變,毛細管中的液柱面將隨之上升或下降。由于玻璃的膨脹系數(shù)很小,而毛細管又是均勻的,故水銀的體積變化可用長度改變量表示,在毛細管上直接標出溫度值來。 水銀溫度計是常用的測溫工具,其優(yōu)點是結構簡單,價格便宜,精確度高,使用

5、方便等,缺點是易損壞且無法修理,其次是其讀數(shù)易受許多因素的影響而引起誤差。分類常用的刻線以1為間隔,量程范圍有:0100, 0250, 0360等。由多支溫度計配套而成,刻度以0.1為間隔,每一支量程為50或更小些,交差組成量程范圍為 -10+200或 -10+400等。 按刻度方法和量程范圍不同,可將水銀溫度計分為以下幾種:高溫水銀溫度計,用特硬玻璃做管壁,其中充以氮或氬,最高可測至600;如以石英制成的,則可測至750。貝克曼溫度計。它為溫差測量溫度計,最小刻度是0.01,可以估讀到0.002,量程僅為56。但其使用溫度可根據(jù)需要在-5至+120 范圍內調節(jié)。作為量熱計或精密控溫設備的測溫

6、附件,有刻度間隔為0.01或0.02的精密溫度計 。精密數(shù)字溫度溫差儀精密數(shù)字溫度溫差儀 測量范圍:* 溫度:-50150(可擴展至200)* 溫差:|10|(基溫范圍同溫度范圍)* 分辨率: 溫度:0.1或0.01 溫差:0.001* 定時顯示時間范圍:099s校正零點校正(冰點校正):由于水銀溫度計下端玻璃球的體積可能會有所改變,導致溫度讀數(shù)與真實值不符,因此必須校正零點。校正方法可以是把溫度計與標準溫度計進行比較,也可用純物質的相變點標定校正,冰水體系是最常用的一種。大部分水銀溫度計是“全浸式”的,使用時應將其完全置于被測體系中,使兩者完全達到熱平衡。但實際使用時往往做不到這一點,所以在

7、較精密的測量中需作校正。 校正值按下式計算:環(huán)觀露莖ttht4106 . 1露莖校正:全浸式水銀溫度計如有部分露在被測體系之外,則讀數(shù)準確性將受兩方面的影響:第一是露出部分的水銀和玻璃的溫度與浸入部分不同,且受環(huán)境溫度的影響;第二是露出部分長短不同受到的影響也不同。為了保證示值的準確,必須對露出部分引起的誤差進行校正。稱為露莖校正。校正方法如圖所示:算出 (注意正、負值)后,加上t觀即為校正后的數(shù)值。 t真實= t觀+露莖t露莖t(其中,系數(shù) 1.610-4是水銀對玻璃的相對膨脹系數(shù)(-1);h為露出被測體系之外的水銀柱高度,稱露莖高度,以溫度差值()表示;t觀為測量溫度計上的讀數(shù); t環(huán)為環(huán)

8、境溫度,可用一支輔助溫度計讀出,其水銀球應置于測量溫度計露莖高度的中部) 。其它因素的校正:使用精密溫度計時,讀數(shù)前須輕輕敲擊水銀面附近的玻壁以防止水銀的粘附。其次,應等溫度計和被測體系真正建立熱平衡,水銀柱面不再變動才能讀數(shù)。另外,變溫體系的溫度測量往往會造成滯后誤差,或稱遲緩誤差,必須加以校正。此外,還應避免太陽光、熱輻射、高頻場等的干擾。(2)、熱電偶溫度計 熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎的測量儀。原理:將兩種金屬導線首尾相接構成一閉合回路,如下圖所示:如果兩個接點的溫度不同,就會產生一個電勢差,稱為溫差電勢。溫差電勢E與兩個接點的溫度差T之間存在函數(shù)關系。如果其中一個接點的溫度恒定不變

9、,則E只與另一個接點的溫度有關,即:E=f(T)。 通常是將一端置于標準壓力下的冰水共存體系(冷端),則只要知道另一端(熱端)溫度與溫差電勢的依賴關系,測得E后即可求出熱端溫度,這就是熱電偶溫度計測溫的原理。這一對金屬導線的組合就稱為熱電偶溫度計,簡稱熱電偶。為了測定溫差電勢,要使導線與測量儀表(如毫伏表)連成回路。分類:鉑鉑銠熱電偶通常由直徑為0.5mm的純鉑絲和鉑銠(鉑10,銠90)絲制成,可在1300以內長期使用,短期可測1600,穩(wěn)定性和重現(xiàn)性均很好,可用于精密測溫和作為基準熱電偶。由鎳鉻(鎳90 ,鉻10 )和鎳硅(鎳95,硅、鋁、錳5 )絲制成,可在氧化性和中性介質中900以內長期

10、使用,短期可測1200,具有良好的復制性、溫差電勢大、線性好、價格便宜,測溫精度雖較低,但能滿足一般要求,故是最常用的一種熱電偶。鎳鉻鎳硅(鋁)熱電偶鎳鉻考銅熱電偶由鎳鉻(鎳90 ,鉻10 )和考銅(銅56,鎳44 )絲制成,可在還原性和中性介質中600以內長期使用,短期可測800。銅康銅熱電偶由銅和康銅(銅60,鎳40 )絲制成。特點是溫差電勢大、價錢便宜、實驗室中易于制作,但其再現(xiàn)性不佳,只能在低于350使用。優(yōu)點:熱電偶具有構造簡單、適用溫度范圍廣、使用方便、承受熱、機械沖擊能力強以及響應速度快等特點,常用于高溫區(qū)域、振動沖擊大等惡劣環(huán)境以及適合于微小結構測溫場合。(3)、電阻溫度計 利

11、用測溫材料(金屬或半導體)的電阻隨溫度變化的特性制成的溫度計稱為電阻溫度計。 在各種純金屬中,鉑、銅和鎳是最合適的材料。其中,鉑易于提純,在氧化性介質中很穩(wěn)定,對溫度變化響應極快,而且具有良好的復現(xiàn)性,所以,將鉑電阻溫度計作為13.81K至903.89K(-259.34至630.74)溫度范圍內,體現(xiàn)國際實用溫標的標準溫度計。 電阻溫度計的低溫特性比熱電偶好,通常用于低溫范圍的溫度測量。二、壓力的測量 壓強 ,指的是均勻垂直作用于單位面積上的力。AFp 在國際單位制(SI)中,壓強的單位為帕斯卡,用Pa表示。除了使用Pa單位外,原來的許多壓力單位,如:標準大氣壓、毫米汞柱、巴等單位現(xiàn)在仍然在使

12、用。 常用壓力單位換算表壓力單位Pakgcm-2atmbarmmHgPa11.01971610-20.986923610-5110-57.500610-3kgcm-29.80066510-40.9678410.980665753.559atm1.013251051.033231.01325760.0bar11051.0197166.986923750.062mmHg133.32241.3595110-31.315789510-31.3332210-3、測壓儀表 液柱式壓力計液柱式壓力計是物理化學實驗中用得最多的壓力計。優(yōu)點:構造簡單、使用方便,能測量微小壓力差,測量準確度比較高,且制作容易,價

13、格低廉。缺點:測量范圍不大,示值與工作液體密度有關。它的結構不牢固,耐壓程度較差。物化實驗中,涉及到高壓(鋼瓶),常壓,以及真空系統(tǒng)(負壓)。對于不同壓力范圍,測量方法也不同,所用儀器的精確度也不同。結構:如右圖所示,液柱式U型壓力計由兩端開口的垂直U型玻璃管及垂直放置的刻度標尺所構成。管內下部盛有適量工作液體作為指示液,U型管的兩支管分別連接于兩個測壓口。測壓原理:因為氣體的密度遠小于工作液的密度,因此,由液面高度差h及工作液的密度、重力加速度g可以得到下式:p1p2hg或 gpph21U型壓力計可用來測量:兩氣體壓力差;氣體的表壓(p1為測量氣壓,p2為大氣壓);氣體的絕對壓力(令p2為真

14、空,p1所示即為絕對壓力);氣體的真空度(p1通大氣,p2為負壓,可測其真空度)。 測定大氣壓力的儀器稱為氣壓計。實驗室常用的是福廷式氣壓計。它是一種真空壓力計,以汞柱所產生的靜壓力來平衡大氣壓力P,汞柱的高度就可以度量大氣壓力的大小。并規(guī)定在海平面、緯度450及溫度為0時的大氣壓為760mmHg或101325Pa為標準大氣壓。氣壓計構造氣壓計的結構如右圖所示:外部是一黃銅管,內部是一根上端封閉的裝有水銀的長玻璃管,管中汞面的上部為真空,管下端插在水銀槽內。水銀槽底部是一羚羊皮袋,下端由螺旋支持,轉動此螺旋可調節(jié)槽內水銀面的高低。水銀槽的頂蓋上有一倒置的象牙針,其針尖是黃銅標尺刻度的零點。此黃

15、銅標尺上附有游標尺,轉動游標調節(jié)螺旋,可使游標尺上下游動。氣壓計的使用(操作步驟) 鉛直調節(jié) 通過調節(jié)氣壓計下端的三個鉛直調節(jié)固定旋鈕。先擰松這三個旋鈕,然后令氣壓計鉛直懸掛,最后再擰緊這三個旋鈕,使氣壓計固定,保持鉛直狀態(tài)。 調節(jié)汞槽內汞面高度 慢慢旋轉汞面調節(jié)旋鈕,使汞槽內的汞面升高,利用汞槽后面白磁板的反光,看汞面和象牙針間的空隙,直到汞面恰好與象牙針尖相接觸,再輕輕扣動銅管使玻璃管中汞的彎面正常,這時,象牙針與汞面的接觸應沒有什么變動。調節(jié)游標尺 轉動游標尺調節(jié)螺旋,使游標尺的下沿邊與管中汞柱的凸面相切。應注意:這時觀察者的眼睛和游標尺前后的兩個下沿邊應在同一水平面。讀數(shù) 先讀游標尺的

16、零線在標尺上所指的刻度,此為大氣壓力的整數(shù)部分,如讀出1011,再從游標尺上找出一根恰與標尺某一刻度相吻合的刻度線,此游標刻度線上的數(shù)值即為大氣壓力的小數(shù)部分,如游標刻度線的讀數(shù)為3,則大氣壓力的讀出值為1011.3mbar(101.13KPa)。101整理工作 向下轉動汞槽液面調節(jié)螺旋,使汞面離開象牙針,并記下氣壓計上附屬溫度計的溫度讀數(shù)(室溫),并從所附的儀器校正卡片上讀取該氣壓計的儀器誤差,用于氣壓計讀數(shù)的校正。校正:水銀氣壓計的刻度是以溫度為0,緯度為45的海平面高度為標準的。若不符合上述規(guī)定時,從氣壓計上直接讀出的數(shù)值,除進行儀器誤差校正外,在精密的工作中還必須進行溫度、緯度及海拔高

17、度的校正。經過各項校正之后的真實大氣壓力數(shù)值為:P=Pt+ k + t + L + H 缺點:搬運、安裝和測試比較麻煩,一般安裝完后就不能隨便地搬動,且測試步驟繁瑣,讀數(shù)的誤差影響因素多,讀出的數(shù)值還要進行有關溫度、緯度和海拔高度等的校正,給數(shù)據(jù)處理帶來麻煩,有時由于無法得知所處位置的緯度和海拔高度而不能進行數(shù)據(jù)校正從而使實驗結果誤差增大。精密數(shù)字氣壓溫度計 功能:提供環(huán)境氣壓與溫度數(shù)據(jù),掛壁式,萬年歷功能。技術指標:技術指標:* 氣壓測量:101.330(KPa) 分辨率:0.01Kpa* 溫度測量:20100 分辨率:0.1 數(shù)字壓力計實驗室經常用U型管汞壓力計測量從真空到外界大氣壓這一區(qū)

18、間的壓力。雖然這種方法原理簡單、形象直觀,但由于汞的毒害以及不便于遠距離觀察和自動記錄,因此這種壓力計逐漸被數(shù)字式電子壓力計所取代。數(shù)字式電子壓力計具有體積小,精確度高,操作簡單,便于遠距離觀測和能夠實現(xiàn)自動記錄等優(yōu)點,目前已得到廣泛的應用。使用方法: 接通電源,按下電源開關,預熱五分鐘即可正常工作。 “單位”鍵:當接通電源,初始狀態(tài)為kPa指示燈亮,顯示以kPa為計量單位的零壓力值;按一下“單位”鍵,mmHg指示燈亮,則顯示mmHg為計量單位的零壓力值。通常情況下選擇kPa為壓力單位。 當系統(tǒng)與外界處于等壓狀態(tài)下,按一下“采零”鍵,使儀表自動扣除傳感器零壓力值(零點漂移),顯示為“00.00

19、”,此數(shù)值表示此時系統(tǒng)和外界的壓力差為零。當系統(tǒng)內壓力降低時,則顯示負壓力數(shù)值,將外界壓力加上該負壓力數(shù)值即為系統(tǒng)內的實際壓力。 本儀器采用CPU進行非線性補嘗,但電網干擾脈沖可能會出現(xiàn)程序錯誤造成死機,此時應按下“復位”鍵,程序從頭開始。注意:一般情況下,不會出現(xiàn)此錯誤,故平時不需按此鍵。 當試驗結束后,將被測系統(tǒng)泄壓為“00.00”,電源開關置于關閉位置。、真空技術在某些物理化學實驗中,當涉及到氣體的物理化學性質、氣相反應動力學、氣固吸附以及表面化學研究時,為了排除空氣和其它氣體的干擾,通常都需要在一個密閉的容器內進行,必須首先將干擾氣體抽去,創(chuàng)造一個具有某種真空度的實驗環(huán)境,然后將被研究

20、的氣體通入,才能進行有關研究。因此真空的獲得和測量是物理化學實驗技術的一個重要方面,學會真空體系的設計、安裝和操作是一項重要的基本技能。在物理化學實驗中通常按真空的獲得和測量方法的不同,將真空劃分為以下幾個區(qū)域:粗真空 105103 Pa;低真空 10310-1 Pa;高真空 10-110-6 Pa;超高真空 10-610-10 Pa;極高真空 10-10 Pa;真空是指低于標準壓力的氣態(tài)空間,真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度,常以壓強值表示,習慣上稱作真空度?,F(xiàn)行的國際單位制(SI)中,真空度的單位和壓強的單位均統(tǒng)一為帕,符號為Pa。真空的獲得為了獲得真空,就必須設法將氣體分子從容器中抽出,凡是能從

21、容器中抽出氣體,使氣體壓力降低的裝置,都可稱為真空泵。主要有水泵、機械泵和擴散泵。實驗室常用的真空泵為旋片式機械泵,一般只能產生1.333 0.1333 Pa的真空,其極限真空為0.13331.33310-2Pa 。其構造如右圖所示。原理:氣體從真空體系吸入泵的入口,隨偏心輪旋轉的旋片使氣體壓縮,而從出口排出,轉子的不斷旋轉使這一過程不斷重復,因而達到抽氣的目的。旋片式機械泵的效率主要取決于旋片與定子之間的嚴密程度。因此把它的整個機件都浸在真空油中,這種油的蒸氣壓很低,既可起潤滑作用,又可起封閉微小的漏氣和冷卻機件的作用。注意事項:機械泵不能直接抽含可凝性氣體的蒸氣、揮發(fā)性液體等。因為這些氣體進入泵后會破壞泵油的品質,降低了油在泵內的密封和潤滑作用,甚至會導致泵的機件生銹。因而必須在可凝氣體進泵前先通過純化裝置。例如,用無水氯化鈣、五氧化二磷、分子篩等吸收水分;用石蠟吸收有機蒸氣;用活性炭或硅膠吸收其它蒸氣等。機械泵不能用來抽含腐蝕性成分的氣體。如含氯化氫、氯氣、二氧化氮等的氣體。因這類氣體能迅速侵蝕泵中精密加工的機件表面,使泵漏氣,不能達到所要求的真空度。遇到這種情況時,應當使氣體在

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