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1、第二章第二章 温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一一、温度与温标温度与温标 （一一）温度温度温度是表征物体冷热程度的物理量温度是表征物体冷热程度的物理量温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物 理量理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量温度的温度的宏观概念宏观概念是建立在热平衡基础上的。是建立在热平衡基础上的。 任意两个冷热程度不同的物体相互接触，任意两个冷热程度不同的物体相互接触， 它们之间必然会发生热交换现象，热量要它们之间必然会发生热交换现象，热量要 从温度高的物体传向温度低的物体，直到从温
2、度高的物体传向温度低的物体，直到 两物体之间的温度完全一致时，这种热传两物体之间的温度完全一致时，这种热传 递现象才能停止。这也就是热力学第零定递现象才能停止。这也就是热力学第零定 律所描述的，系统温度相等是建立热平衡律所描述的，系统温度相等是建立热平衡 的充要条件。的充要条件。温度的温度的微观概念微观概念表明：物体温度的高低标志表明：物体温度的高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。度，即对其分子平均动能大小的一种量度。显然物体的物理化学特性与温度密切相关。显然物体的物理化学特性与温度密切相关。温度的测量温度的
3、测量当两个物体同处于一个系统中而达到热平当两个物体同处于一个系统中而达到热平 衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从 一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就 是是测温的依据测温的依据。如果事先已经知道一个物体的。如果事先已经知道一个物体的 某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可 以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这 就是设计与制作温度计的数学物理基础。就是设计与制作温度计的数学物理基础。虽然有不少物体的某些性质或状态虽然有不少
4、物体的某些性质或状态（如电阻如电阻、 体积体积、电势等电势等）会随温度的变化而变化会随温度的变化而变化，但并但并 不是所有的物质都可制作成温度计不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度选作温度 计的物质计的物质，其性质必须满足以下条件：其性质必须满足以下条件：物质的某一属性物质的某一属性G仅与温度仅与温度T有关有关，即即G = G(T)，且且 必须是单调函数必须是单调函数，最好是线性的最好是线性的。随温度变化的属性应是容易测量的随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强且输出信号较强， 以保证仪表的灵敏度和测量精确度以保证仪表的灵敏度和测量精确度。应有较宽的测量范围应有较宽的测量范围。有较
5、好的复现性和稳定性有较好的复现性和稳定性。（三）温标（三）温标温标是温度数值化的标尺。它规定了温温标是温度数值化的标尺。它规定了温 度的读数起点和测量温度的基本单位。各种度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。温度计的刻度数值均由温标确定。1 1经验温标经验温标它是借助于某一种物质的物理量与温度变它是借助于某一种物质的物理量与温度变 化的关系化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温用实验方法或经验公式所确定的温 标标。摄氏温标摄氏温标摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰 融点为融点为0度，水沸点为度，水沸点为100度，中间等分为度，中间等
6、分为 100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1度，符号为度，符号为。华氏温标华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点 为为32度，水沸点为度，水沸点为212度，中间等分度，中间等分180格，每格，每 格为华氏格为华氏1度，符号为度，符号为。它与摄氏温标的关系为：它与摄氏温标的关系为：5CF329类似的经验温标还有兰氏、列氏等类似的经验温标还有兰氏、列氏等经验温标的缺点在于它的局限性和随意经验温标的缺点在于它的局限性和随意性性2热力学温标热力学温标热力学温标又称开氏温标（热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温）或绝对温 标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。
7、标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。 它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关 而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标， 已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。标。热力学中卡诺定理指出：热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺一个理想的卡诺 机，当它工作于温度为机，当它工作于温度为T T2 2的热源与温度为的热源与温度为T T1 1的的 冷源之间，它从热源中吸收的热量冷源之间，它从热源中吸收的热量Q Q2 2与向冷源与向冷源 中放出的热量中放出的热量Q Q1 1，
8、应遵循以下关系：，应遵循以下关系：这就是建立热力学温标的物理基础。如果这就是建立热力学温标的物理基础。如果 指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比 求得未知温度值。求得未知温度值。1122TQ TQ热力学温标规定水在标准大气压下热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为的三相点为273273. .1616K K，沸点与三相点之间沸点与三相点之间分为分为100100等分等分，每等分每等分1 1K K，将水的三相点将水的三相点以下以下273273. .1616K K定为绝对零度定为绝对零度（0 0K K）。3 3国际温标国际温标为了使用方便为了使用方便，国际
9、上经协商国际上经协商，决定建立一决定建立一 种既使用方便种既使用方便，又具有一定科学技术水平的又具有一定科学技术水平的 温标温标，这就是国际温标的由来这就是国际温标的由来。具备的条件：具备的条件：尽可能接近热力学温标尽可能接近热力学温标复现精度高复现精度高，各国均能以很高的准确度复现各国均能以很高的准确度复现 同样的温标同样的温标，确保温度量值的统一确保温度量值的统一用于复现温标的标准温度计用于复现温标的标准温度计，使用方便使用方便，性性 能稳定能稳定国际实用温标国际实用温标是用来复现热力学温标的是用来复现热力学温标的，简简 称称IPTSIPTS- -6868，它是由它是由19681968年国
10、际权度会议通过的年国际权度会议通过的。 这个温标经过这个温标经过2020多年使用多年使用，发现了一些问题发现了一些问题，已已 无法满足现代科学发展对温度测量的要求无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际国际 计量委员会决定用计量委员会决定用19901990年国际温标年国际温标（ITSITS- -9090）代代 替替IPTSIPTS- -6868。 在在19901990年国际温标中指出，热力学温标是基年国际温标中指出，热力学温标是基 本物理量。单位开尔文，符号为本物理量。单位开尔文，符号为K K。它规定水的。它规定水的 三相点热力学温度为三相点热力学温度为273.16K273.16K，定义开尔
11、文一度，定义开尔文一度 等于水三相点热力学温度的等于水三相点热力学温度的1/273.161/273.16。在在ITS-90中同时使用国际开尔文温度中同时使用国际开尔文温度（符号符号 为为T90）和国际摄氏温度和国际摄氏温度（符号为符号为t90），其关系为其关系为t90= T90 273.15T90单位为开尔文单位为开尔文（K），t90单位为摄氏度单位为摄氏度 （）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标这里所说的摄氏度符合国际实用温标 （ITS-90）的规定的规定。ITS-90的一些规定如下：的一些规定如下：由由0.65K到到4He临界点临界点（5.2K）温度范围为一温温度范围为一温 度段度段，在此
12、温度段内用在此温度段内用3He和和4He周期压力与温度周期压力与温度 的关系来确定温度的关系来确定温度。由由4He沸点沸点（4.2K）到氖三相点到氖三相点（24.6K）温度温度 范围内范围内，T90的确定采用在三个规定温度点分度的确定采用在三个规定温度点分度 过的过的3He或或4He气体温度计内插气体温度计内插。这三个点分别是这三个点分别是 氖三相点氖三相点（24.6K）、平衡氢三相点平衡氢三相点（13.8K） 和和4He正常沸点正常沸点（4.2K）。由 平 衡 氢 三 相 点由 平 衡 氢 三 相 点 （ 13.8K ） 到 银 凝 固 点到 银 凝 固 点 （962），这个温度段内这个温度
13、段内，标准仪器应用铂标准仪器应用铂 电阻温度计电阻温度计。银凝固点银凝固点（962）以上温度区间采用普朗克以上温度区间采用普朗克 定律外推定律外推。二、温度标准的传递二、温度标准的传递与国际实用温标有关的基准仪器均由国家与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行校验。校验。三、温度测量方法及测量仪表的分类三、温度测量方法及测量仪表的分类温度不能直接测量温度不能
14、直接测量，而是借助于物质的某些物而是借助于物质的某些物 理特性是温度的函数理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变通过对某些物理特性变 化量的测量间接地获得温度值化量的测量间接地获得温度值。根据温度测量仪表地使用方式根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为通常可分类为 接触法接触法与与非接触法非接触法两大类两大类。1. 接触法接触法当两个物体接触后，经过足够长的时间达到当两个物体接触后，经过足够长的时间达到 热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其 中之一为温度计，就可以用它对另一个物体中之一为温度计，就可以用它对另一个物体 实现温度测量，实现温度测量，这种
15、测温方式称为接触法这种测温方式称为接触法。特点：特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，温度计要与被测物体有良好地热接触， 使两者达到热平衡。使两者达到热平衡。2.非接触法非接触法利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定 物体温度，物体温度，这种测温方式称为非接触法这种测温方式称为非接触法。特点：特点：不与被测物体接触，也不改变被测物不与被测物体接触，也不改变被测物 体的温度分布，热惯性小。体的温度分布，热惯性小。通常用来测定通常用来测定10001000以上的移动、旋转或反以上的移动、旋转或反 应迅速的高温物体的温度。应迅速的高温物体的温度。按工作原理来划分
16、，也根据温度范围按工作原理来划分，也根据温度范围（高温、中温、低温等）或仪表精度（高温、中温、低温等）或仪表精度（基准、标准等）来划分。（基准、标准等）来划分。3.测量仪表的分类测量仪表的分类接触式测温法是使感温元件直接与被测物接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感受被测物体体或直接与被测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。或被测介质的温度变化。膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计非接触式测温仪表是采用感温元件与被测非接触式测温仪表是采用感温元件与被测 物体不直接接触的方法来测量温度。物体不直接接触的方法来测量温度。在高温范围内，用直接接触测温法非常困在高温范围内，用直接接触测温法非常困 难，
