《制冷與低溫測試技術(shù)》課件chapter2-0溫標

1、第二章 溫度的測量溫度與溫標膨脹式溫度計氣體溫度計蒸汽壓溫度計電阻溫度計 熱電偶溫度計熱電勢和電阻的測量半導(dǎo)體二極管溫度計和電容溫度計磁溫度計第一節(jié) 溫度與溫標溫度：國際單位制中7個基本物理量之一，（長度m、質(zhì)量kg、時間s、電流A、熱力學(xué)溫度K、發(fā)光強度cd、物質(zhì)的量mol) 表征物體冷熱程度的一個物理量，是物體內(nèi)分子運動平均動能的量度。 溫度只能藉助測量物質(zhì)的某些性質(zhì)求得，這些隨溫度而變化的性質(zhì)稱為測溫參數(shù)，具有這種測溫參數(shù)的物質(zhì)稱為測溫物質(zhì)。按熱力學(xué)第零定律(熱平衡定律)，任何與第三個物體處于熱平衡中的兩個物體，它們之間也處于平衡，即這兩個物體具相同的溫度，我們可以選擇具有溫度特性的物質(zhì)

2、作為熱平衡中第三物質(zhì)溫度計使用。 第一節(jié) 溫度與溫標溫度：國際單位制中7個基本物理量之一， 表征物體冷熱程度的一個物理量，是物體內(nèi)分子運動平均動能的量度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。 溫度是度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量，它體現(xiàn)了物體內(nèi)部微粒運動狀態(tài)的特征。宏觀物理量溫度T與微觀量分子的平均速率通過基本物理常數(shù)k聯(lián)系了起來，從而為用基本物理常數(shù)來精確確定溫度單位提供了理論依據(jù)。小知識1960年10月十一屆國際計量大會確定了國際通用的國際單位制，簡稱SI制。 SI制：七個基本單位：長度m，時間s，質(zhì)量kg，熱力學(xué)溫度（Kelvin溫度）K，電流單位A，光強度單位cd（坎德拉），

3、物質(zhì)量mol 二個輔助單位：平面角弧度rad，立體角球面度Sr 米：光在真空中（1/299 792 458）s時間間隔內(nèi)所經(jīng)過路徑的長度。第17屆國際計量大會（1983） （不確定度10-9）千克：國際千克原器的質(zhì)量。第1屆國際計量大會（1889）和第3屆國際計量大會（1901） 秒：銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個周期的持續(xù)時間。第13屆國際計量大會（1967），決議1 安培：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1 m的無限長平行圓直導(dǎo)線內(nèi)通以等量恒定電流時，若導(dǎo)線間相互作用力在每米長度上為210-7 N，則每根導(dǎo)線中的電流為1 A。國際計量委

4、員會（1946）決議2。第9屆國際計量大會（1948）批準 開爾文：水三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16。第13屆國際計量大會（1967），決議4 （不確定度10-5)摩爾：是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元（原子、分子、離子、電子及其他粒子，或這些粒子的特定組合）數(shù)與0.012 kg碳-12的原子數(shù)目相等。第14屆國際計量大會（1971），決議3 坎德拉：是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為5401012 Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。第16屆國際計量大會（1979），決議3 電壓標準：交流約瑟夫森效應(yīng)，（不確定度10-7)小知識V=n

5、 h f / 2e第一節(jié) 溫度與溫標溫標：溫度的數(shù)值表示法，包含了如下的三部分內(nèi)容：1)溫標必須含有溫度特性的測溫元件溫度計，2)溫標必須包含一些參考點溫度，這是為了各國都能復(fù)現(xiàn)這溫度點，常把某些純物質(zhì)特性溫度，如凝固點、熔點、沸點、三相點相轉(zhuǎn)變溫度，定作固定點參考溫度。只要純度達到，其特性溫度各地相差不大，而且都能復(fù)現(xiàn)。(標準的制定)3)溫標的第三個要素是溫度的數(shù)學(xué)表示法，即溫度和參數(shù)關(guān)系式，并按不同的溫度計規(guī)定不同的測溫單位，(即度的含義)。如氣體溫度計，測溫單位是壓力/K，可用Pa/K表示，電阻溫度計用/K表示，熱電偶溫度計用mV/K表示。第一節(jié) 溫度與溫標 a) 水銀在毛細管中高度(水

6、銀在玻璃包內(nèi)膨脹)；b) 鉑絲的電阻；c) 理想氣體或近理想氣體的壓力；d) 兩種不同金屬的熱電勢；e)沸騰液面上平衡蒸氣壓力；f)雙金屬片熱膨脹差異；g) 氣體中聲音傳播速度；h) 順磁鹽的磁化率等等。 這些隨溫度變化的物理性質(zhì)可以作為溫度標志，為了溫度測量的準確和方便，測溫參量隨溫度變化的規(guī)律應(yīng)有一個較為簡單的表達式，最理想的是以線性方程式表示溫度與參量之間規(guī)律，且變化率要盡可能大，這樣測量誤差就可以小些。第一節(jié) 溫度與溫標自溫度計發(fā)明以來，發(fā)明者按自己的習(xí)慣人為地規(guī)定了一些溫標，在各教科書中常遇到的溫標有：1)牛頓溫標2)華氏溫標Fahrenheit Temperature Scale3

7、)攝氏溫標Centigrade Temperature Scale4)開爾文溫標Thermodynamics Temperature Scale5)蘭金溫標由于溫度計固定點和度的表示不一樣，因此不能保證各國測溫的統(tǒng)一。第一節(jié) 溫度與溫標1) 牛頓溫標、牛頓在1701年用水銀溫度法測溫，他把水的冰點定為0N英國健康人腋下溫度作11N，則水的沸點便是34N。2) 華氏溫標，使用水銀溫度計，冰點定為32F，水沸點定為212F，在水冰點到沸點劃分180分，每份即為1F。28攝氏度=82華氏度； 36.7攝氏度=98.06華氏度第一節(jié) 溫度與溫標3) 攝氏溫標，測溫用水銀溫度計，把冰點定為0C，水沸點定

8、為100C，每分即為1C，它與華氏溫度關(guān)系為1C =9/5F。4) 開爾文溫標，把絕對零度和水三相點(273.16K)溫度作固定點，測溫介質(zhì)與溫標無關(guān)，規(guī)定0K至273.16分，每分即為1K。（注：冰點溫度0C為273.15K）5) 蘭金溫標，固定點為0K，水三相點定為491.69R，規(guī)定水三相點溫度1/491.69，定為1R，1R=1F。第一節(jié) 溫度與溫標一、熱力學(xué)溫標Thermodynamics Temperature Scale二、國際溫標（ITS90） International Temperature Scale 熱力學(xué)溫標 由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學(xué)定律提出來的，因此又稱開

9、氏溫標。是建立在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上的理想溫標?？捎蓺怏w溫度計來實現(xiàn)。由熱力學(xué)溫度：理想氣體卡諾循環(huán)第一節(jié) 溫度與溫標一、熱力學(xué)溫標 國際權(quán)度大會規(guī)定，熱力學(xué)溫標為基本溫標，熱力學(xué)溫度為T，單位是開爾文(簡稱開)，符號K，又規(guī)定熱力學(xué)溫標和一個定義固定點溫度是水的三相點溫度，為273.16K，開一度(T/K)等于三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16，把水三相點作為熱力學(xué)溫度的基本固定點是因為了照顧攝氏溫標的習(xí)慣。熱力學(xué)溫度也可以用熱力學(xué)攝氏溫度來表示，其符號為t，單位為C，它定義為因此水的三相點為0.01C，一般0C以上用攝氏C表示，0C以下用開爾文K表示。 第一節(jié) 溫度與溫標盡可能以當代科技水平接近

10、熱力學(xué)溫標2. 復(fù)現(xiàn)精度高，各國都能以很高的準確度復(fù)現(xiàn)同一溫標，確保溫度量值的統(tǒng)一3. 用于復(fù)現(xiàn)溫標的標準溫度計，使用方便，性能穩(wěn)定第一節(jié) 溫度與溫標國際溫標-參考點溫度ITS-27, ITS-48, IPTS-48(60), IPTS-68, IPTS-68(75), EPT-76“ITS-90”是國際計量委員會根據(jù)1987年第18屆國際計量大會第7號決議的要求，于1989年正式通過的。用17種高純物質(zhì)的各相間可復(fù)現(xiàn)的平衡狀態(tài)溫度作為溫度的基準點，其中除了非常低的溫度仍保留沸點外，全部采用純物質(zhì)的熔點，凝固點和三相點，如表2-1所示。三相共存只出現(xiàn)在固定的壓強和溫度下，當外界熱量對三相共存的

11、系統(tǒng)發(fā)生有限變化時，只要內(nèi)部還存在三相，該系統(tǒng)只會發(fā)生各相的相對變化，不可能產(chǎn)生溫度和壓強的變更。由此可見，經(jīng)過很好制備保護的三相點是一種穩(wěn)定可靠的固定點。ITS-90中選用的物質(zhì)在三相共存時有很好的復(fù)現(xiàn)性，一般能達到0.2mK，其中氬三相點的復(fù)現(xiàn)性可達0.01mK。三相點水的相圖舉例：CO2的相圖水三相點瓶Source:高妮等，標準鉑電阻溫度計重要參數(shù)Rtp值的獲取，黑龍江電力，2002，24（4）：283-284水三相點瓶使用方法冰箱中預(yù)冷2h向內(nèi)插管中不斷加入液氮或干冰，直至內(nèi)插管周圍凍成一層厚度約有10mm的均勻冰套（不能完全封凍，以免瓶子破裂）使用時，用室溫下的水注入內(nèi)插管，使緊貼內(nèi)

12、插管外表面的冰層融化，形成第二個冰水交接面。凝固點這些高純物質(zhì)在嚴格的實驗下，均能獲得較高的復(fù)現(xiàn)性，最高接近于0.1mK物質(zhì)凝固或熔化時，氣壓對其影響遠比沸點小。如：鋅，dT/dP=4.310-8K/Pa但 水， dT/dP=2.7610-4K/Pa為此，通常用凝固點分度普通溫度計時無需測量其壓力。由于壓力對于沸點的影響遠超過凝固點，所以ITS-90不再選用沸點作為定義固定點。Ga熔點由于鎵（302.9146K，29.7646 C ）的凝固前的過冷度大，由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時非常困難。液態(tài)鎵可過冷到-120 無益于溫度計的分度，為此ITS-90選用鎵的熔點作為定義的固定點。/ys/show-118

13、489-1.html第一節(jié) 溫度與溫標 在不同的溫度范圍內(nèi)，選擇準確性和穩(wěn)定性較高的溫度計作為復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫度的標準儀器，使標準儀器測量的溫度與熱力學(xué)溫度的差值盡可能小。1) 0.65K5.0K，3He和4He蒸氣壓溫度計，其中 i) 0.65K3.2K，3He蒸氣壓溫度計； ii)1.25K2.1768K（點），4He蒸氣壓溫度計； iii) 2.1768K5.0K4He蒸氣壓溫度計2) 3.0K至氖三相點(24.5561K)，氣體溫度計在這個溫度范圍內(nèi)，T90可由3He或4He恒容氣體溫度計來確定，并且三個溫度點標定，這三個溫度點分別為氖三相點(24.5561K)，平衡氫三相點(13.803

14、3K)以及35K之間一個溫度點可由3He或4He蒸氣壓溫度計來確定。第一節(jié) 溫度與溫標3)平衡氫三相點(13.8033K)至銀凝固點(1234.93K)；這個范圍內(nèi)T90的標準測溫工具鉑電阻溫度計，它在確定一系列定義固定點，并使用偏差函數(shù)可以內(nèi)插固定點以外的任何溫度。在13.8033K1234.93K溫度范圍內(nèi)，沒有一支單一鉑電阻溫度計能使用并保持高正確性，因此不同結(jié)構(gòu)鉑電阻溫度計能適用于不同的溫度范圍。4) 銀凝固點(1234.93K)以上溫度；普朗克輻射定律。 第一節(jié) 溫度與溫標1) 0.65K5.0K，3He和4He蒸氣壓溫度計，其中i) 0.65K3.2K，3He蒸氣壓溫度計；ii)1

15、.25K2.1768K（點），4He蒸氣壓溫度計； iii)2.1768K5.0K4He蒸氣壓溫度計這種溫度計是一種在封閉的容器內(nèi)存有氣液兩相系飽和蒸汽壓的測溫儀器，復(fù)現(xiàn)性為（1-0.1）mK。3He在0.5K時相應(yīng)的壓力為100Pa，低于此壓力時，因熱分子壓力的修正等原因引起的誤差將大于0.5mK。p：PaGuy K. White, Philip J. Meeson, Experimental Techniques in Low-Temperature Physics, Fourth Edition, Oxford Science Publications, 2002第一節(jié) 溫度與溫標2)3

16、.0K至氖三相點(24.5561K)，氣體溫度計在這個溫度范圍內(nèi)，T90可由3He或4He恒容氣體溫度計來確定，并且三個溫度點標定，這三個溫度點分別為氖三相點(24.5561K)，平衡氫三相點(13.8033K)以及35K之間一個溫度點可由3He或4He蒸氣壓溫度計來確定。T90的可靠性依賴于合理的設(shè)計和溫泡中氣體密度，通常能達到0.1mK準確度。4.2K-氖三相點（24.5561K）之間：3.0K-4.2K之間使用3He氣體溫度計和在3.0-24.5561K之間使用的4He氣體溫度計時，必須考慮氣體的非理想型，運用相應(yīng)的第二維里系數(shù)B3(T90)或B4(T90)，其中N為氣體量，V為溫泡容積

17、崔志尚，溫度計量與測試，中國計量出版社，1998：11) m3/mol m3/mol 第一節(jié) 溫度與溫標3)平衡氫三相點(13.8033K)至銀凝固點(1234.93K)；這個范圍內(nèi)T90的標準測溫工具鉑電阻溫度計，它在確定一系列定義固定點，并使用偏差函數(shù)可以內(nèi)插固定點以外的任何溫度。在13.8033K1234.93K溫度范圍內(nèi)，沒有一支單一鉑電阻溫度計能使用并保持高正確性，因此不同結(jié)構(gòu)鉑電阻溫度計能適用于不同的溫度范圍。溫度由電阻比決定，在R(T90)與水三相點時電阻R(273.16K)之比 鉑電阻溫度計必須由很純、無應(yīng)力鉑絲做成，它必須滿足下列關(guān)系式之一： 或 第一節(jié) 溫度與溫標對于用到銀

18、熔點(961.78)以上溫度的鉑電阻溫度計，還應(yīng)滿足：第一節(jié) 溫度與溫標鉑電阻溫度計的插補公式采用差值內(nèi)插法，并設(shè)13.8033K273.16K和0961.78，兩溫區(qū)各有一張參考函數(shù)表和若干偏差函數(shù)。 第一節(jié) 溫度與溫標在13.8033K273.16K參考函數(shù)為其逆函數(shù)在0.1mK之內(nèi)相當于第一節(jié) 溫度與溫標在13.8033K273.16K偏差函數(shù)為溫度計可以在平衡氫三相點(13.8033K)、氖(24.5561K)、氧(54.3584K)、氬(83.8058K)、汞(234.3156K)和水三相點(273.16K)以及接近17.0K和20.3K二個附加溫點進行標定，后兩個溫度點可由氣體函數(shù)校驗。 當區(qū)間在83.8058K273.16K之間時，偏函數(shù)中系數(shù)有些為0，可簡化為： 第一節(jié) 溫度與溫標0961.78之間