溫度基礎(chǔ)知識(shí)

溫度基礎(chǔ)知識(shí)

云南電力研究院計(jì)量所

李艷麗

2010年11月1內(nèi)容目錄第一部分基本概念第二部分溫標(biāo)的發(fā)展第三部分溫度計(jì)的分類與特點(diǎn)2一、基本概念1、溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度是決定一系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡的物理量，一切互為熱平衡的物體都具有相同的溫度。溫度與分子平衡動(dòng)能相聯(lián)系，它標(biāo)志著物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。

3◆溫度雖然與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，但從古至今好長(zhǎng)一段時(shí)間，沒(méi)有人知道什么是“溫度”，人們卻把它和“熱量”混淆起來(lái)。

◆真正溫度的概念誕生也是人們清楚地區(qū)分這兩個(gè)概念。

◆現(xiàn)在人們從宏觀和微觀兩個(gè)方面對(duì)溫度進(jìn)行了詳細(xì)解釋。

41.1宏觀解釋

◆熱力學(xué)第零定律解釋為：如果兩個(gè)系統(tǒng)中每一個(gè)系統(tǒng)都與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，則它們彼此也必定處于熱平衡。

◆在描述平衡系統(tǒng)熱狀態(tài)的熱力學(xué)參量中，其中一個(gè)參量具有特殊的性質(zhì)，即它在相互處于熱平衡的不同系統(tǒng)中具有相同的值，這個(gè)參量稱為“溫度”。

◆一切互為熱平衡的系統(tǒng)都有相同的溫度。

◆溫度是表示物體冷熱程度的物理量。

◆它是一個(gè)強(qiáng)度量，而且是一個(gè)與廣延量無(wú)關(guān)的強(qiáng)度量。51.2微觀解釋

理想氣體分子模型：

a、分子本身的大小比起它們之間的平均距離可忽略不計(jì)；

b、除了短暫的碰撞過(guò)程外，分子間的相互作用可忽略；

c、分子間的碰撞是完全彈性的。

6◆當(dāng)兩理想氣體分子（質(zhì)量為M和m，速度為V和v）相互碰撞時(shí)，我們得到分子之間的動(dòng)能轉(zhuǎn)移量：

△ε∝

若M類分子平均動(dòng)能大于m類分子，△ε>0，動(dòng)能由前者傳給后者；

若M類分子平均動(dòng)能小于m類分子，△ε<0，動(dòng)能由后者傳給前者；

若M類分子平均動(dòng)能等于m類分子，△ε=0，動(dòng)能交換為0，即兩類分子達(dá)到熱平衡。7◆熱量即熱運(yùn)動(dòng)的能量，△ε的正負(fù)決定了熱量傳遞的方向。按照熱力學(xué)第零定律，分子的平均動(dòng)能在宏觀上具有溫度的特征。分子的平均動(dòng)能正比于熱力學(xué)溫度

ε=T為熱力學(xué)溫度，K為比例常數(shù)。由此，從微觀上看，溫度表征著分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。標(biāo)志著物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈。=KT82、熱平衡

熱平衡是兩個(gè)均勻系之間的熱交換的平衡，也是動(dòng)態(tài)平衡。熱交換是能量傳遞的一種方式。

3、熱力學(xué)溫標(biāo)

以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)制定的溫標(biāo)稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。

根據(jù)卡諾定理的推論可知，工作于兩個(gè)恒定熱源之間的一切可逆卡諾熱機(jī)的效率與工作介質(zhì)無(wú)關(guān)，只與這兩個(gè)熱源的溫度有關(guān)，這樣定義的溫標(biāo)稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。

9★熱力學(xué)第二定律：

克勞修斯說(shuō)法（1850年）：不可能把熱從低溫物體傳至高溫物體而不引起其它變化；

開(kāi)爾文說(shuō)法（1851年）：不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響。

104、溫標(biāo)衡量溫度高低的標(biāo)尺，它是描述溫度數(shù)值的統(tǒng)一表示方法（或定義方法）?！锩鞔_了溫度的單位、溫度定義固定點(diǎn)的數(shù)值，內(nèi)插儀器和內(nèi)插公式。★我國(guó)目前采用的溫標(biāo)是1990年國(guó)際溫標(biāo)，代號(hào)為ITS-90，簡(jiǎn)稱90溫標(biāo)。★它具有通用性和準(zhǔn)確性，保證在不同地區(qū)或不同場(chǎng)合下測(cè)量相同的溫度具有相同的量值。★準(zhǔn)確測(cè)量溫度，必須具備三個(gè)條件：合適的測(cè)溫物質(zhì)；穩(wěn)定的固定點(diǎn)；合理的分度方法。115、三相點(diǎn)、水三相點(diǎn)

三相點(diǎn)：一個(gè)由單一的物質(zhì)（純物質(zhì)）組成的體系，當(dāng)其三相（三種狀態(tài)）共存處于平衡時(shí)，這個(gè)體系將有確定的溫度和壓力，稱此狀態(tài)為三相點(diǎn)。水三相點(diǎn)：指水、冰、汽三相平衡共存時(shí)的狀態(tài)，水三相點(diǎn)的溫度值為273.16K,壓力值為609.14Pa。12

建立溫標(biāo)的過(guò)程是十分曲折的，溫標(biāo)的發(fā)展先后經(jīng)歷了華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)氫溫標(biāo)、理想氣體溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、ITS-27溫標(biāo)、ITS-48溫標(biāo)、ITS-68溫標(biāo)、ITS-76溫標(biāo)、ITS-90溫標(biāo)等。

二、溫標(biāo)的發(fā)展13

18世紀(jì)時(shí)，人們只能依據(jù)測(cè)溫工質(zhì)的某一特性隨溫度變化的關(guān)系來(lái)制定溫標(biāo)，這種溫標(biāo)通常稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。例如，攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)都依附于測(cè)溫工質(zhì)（水銀）的性質(zhì)。但工質(zhì)的純度及其膨脹系數(shù)等都會(huì)影響溫標(biāo)分度的準(zhǔn)確性。1848年，開(kāi)爾文根據(jù)卡諾循環(huán)原理提出了熱力學(xué)溫標(biāo)。根據(jù)卡諾定理，用上述方法確定的溫度就避免了經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)依附于測(cè)溫工質(zhì)性質(zhì)所產(chǎn)生的隨意性?，F(xiàn)在采用的攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)，實(shí)際上都已根據(jù)熱力學(xué)溫標(biāo)賦予了新的概念，不再是以往的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)了。14

因?yàn)榭ㄖZ循環(huán)是不能實(shí)現(xiàn)的，所以熱力學(xué)溫標(biāo)只是一種理論溫標(biāo)。為了找到一種既符合熱力學(xué)溫標(biāo)，又簡(jiǎn)便實(shí)用的溫標(biāo)，各國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)努力，于20世紀(jì)20年代建立起一種與熱力學(xué)溫標(biāo)相近的、復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高、使用簡(jiǎn)便的實(shí)用溫標(biāo)，這就是國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。自國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)建立起來(lái)，經(jīng)過(guò)多次修訂，在逼近熱力學(xué)溫標(biāo)方面已有了很大的提高。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)還將繼續(xù)完善，以求最大限度地逼近熱力學(xué)溫標(biāo)。15

目前國(guó)際通用的溫標(biāo)是1975年第15屆國(guó)際權(quán)度大會(huì)通過(guò)的《1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)-1975年修訂版》，記為IPTS-68（Rev-75）。但由于IPTS-68溫標(biāo)存在一定的不足，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在18屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)第七號(hào)決議授權(quán)予1986年會(huì)議通過(guò)了1990年國(guó)際溫標(biāo)ITS-90，ITS-90溫標(biāo)替代IPTS-68。我國(guó)自1994年1月1日起全面實(shí)施ITS-90國(guó)際溫標(biāo)。16

固定點(diǎn)溫標(biāo)：ITS-27溫標(biāo)、ITS-48溫標(biāo)、ITS-68溫標(biāo)、ITS-76溫標(biāo)、ITS-90溫標(biāo)等。歷次溫標(biāo)固定點(diǎn)的演化：固定點(diǎn)從不穩(wěn)定（沸點(diǎn)等）轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定點(diǎn)（三相點(diǎn)）固定點(diǎn)的準(zhǔn)確度逐步提高（與熱力學(xué)溫度比）固定點(diǎn)的數(shù)量不斷增加溫度上下限不斷延伸17溫標(biāo)起源和經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)1）華氏溫標(biāo)◆第一個(gè)溫標(biāo)是德國(guó)科學(xué)家華倫海特1724年創(chuàng)建的。◆溫度計(jì)：精密純水銀溫度計(jì)?！舴侄龋航Y(jié)冰的鹽水混合物溫度和人體血液的溫度為固定點(diǎn)，其間隔分為96°，并使用了第三個(gè)固定點(diǎn)，冰水混合物為32°。后來(lái)又把水沸點(diǎn)定為212°?！魡挝弧叭A氏度”，即作℉?！暨@套測(cè)溫體系就是著名的華氏溫度。182）攝氏溫標(biāo)◆攝氏溫標(biāo)是瑞典天文學(xué)家攝氏修斯1742年建立的?！魡挝弧皵z氏度”，即作℃，◆分度：冰點(diǎn)定為100度，沸點(diǎn)定為0度，后來(lái)他的同事斯特雷默（M.stromer）建議倒過(guò)來(lái)，把水的冰點(diǎn)定為0度，沸點(diǎn)定為100度。⊙華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)的測(cè)溫物質(zhì)、固定點(diǎn)和分度方法都是任意選定的，并且溫標(biāo)三要素都與物質(zhì)的選擇有關(guān)，一般稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)193、ITS-90溫標(biāo)

我國(guó)目前采用的溫標(biāo)是1990年國(guó)際溫標(biāo)，代號(hào)為ITS-90,簡(jiǎn)稱90溫標(biāo)。溫度單位：1990國(guó)際溫標(biāo)（ITS-90）,該溫標(biāo)中規(guī)定了熱力學(xué)溫度是基本溫度，符號(hào)為T(mén)，其單位為開(kāi)爾文，符號(hào)為K。開(kāi)爾文等于水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度1/273.16。同時(shí)還可以使用攝氏溫度，以符號(hào)t表示（t90）。20攝氏溫度的分度值與熱力學(xué)溫度的分度值相同，即1℃=1K。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)刻度的劃分以水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度（T=273.16K=0.01℃）為定義固定點(diǎn)（起始點(diǎn)），也就是把從絕對(duì)零度到水三相點(diǎn)之間的溫度分為273.16份，每一份叫做1K（以絕對(duì)零度為起點(diǎn)）。攝氏溫度t與熱力學(xué)溫度T之間的數(shù)值關(guān)系為：t=T-273.15。21

溫度計(jì)分為接觸式與非接觸式溫度計(jì)兩大類，前者感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，后者感溫元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸。三、溫度計(jì)的分類與特點(diǎn)22種類溫度表測(cè)溫原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)測(cè)溫范圍（℃）接觸式溫度表玻璃管液體溫度計(jì)利用液體體積隨溫度變化的性質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、價(jià)格便宜容易破損、讀數(shù)不便、信號(hào)不能遠(yuǎn)傳-80～600壓力式溫度表利用定容氣體或液體壓力隨溫度變化的性質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、信號(hào)能遠(yuǎn)傳準(zhǔn)確度低，受環(huán)境溫度影響大-100～600雙金屬溫度表利用固體熱膨脹變形量隨溫度變化的性質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠準(zhǔn)確度低，信號(hào)不能遠(yuǎn)傳-80～600熱電偶溫度表利用金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、信號(hào)能遠(yuǎn)傳冷端溫度需要補(bǔ)償、測(cè)低溫準(zhǔn)確度較低-200～180