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1、温度的测量和控制,一、温度测量的基本依据,1. 热力学第零定律是进行体系测量的基本依据,(1)可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体系的性质是否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。,(2)当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系，其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。,(3)一切互为平衡的体系具有相同的温度。所以，一个体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表达；或者也可以通过第三个体系的温度来表达。,2.温标,定义：温标是温度的标准量的简称。,温标的确定包括测量物质的选择、固定点的选择、温度值的划分等。,常见的温标有：,热力学温标以卡诺循环为基础。根据卡诺特
2、循环得出的温标可适用于任何温度区间，且与工作物质的性质无关。由于卡诺循环是一种理想循环，所以热力学温标也是一种理想的温标。,测温的固定点：选定水的三相点温度（273.16K）,单位：K,（1）热力学温标 （开尔文 1848年）,（2）国际实用温度计（温标的二级标准）,测温的固定点：选定一些可靠而又能高度重视的平衡点。,规定：在不同的温度区间必须选定指定的、具有高稳定度的标准温度来度量各固定点之间的温度值。,单位：K,（3）摄氏温标,测温的固定点：选定水的冰点为0； 水的沸点为100,摄氏温标和热力学温标的换算关系可表示为： t = T - 273.15,（4）华氏温标 （德国物理学家 华伦海特
3、）,测温的固定点：选定水的冰点为32F； 水的沸点为212F,华氏温标与摄氏温标的换算关系为： tF = 32 + 9/5 t,二、温度计,1. 接触式温度计,在测量时必须将温度计接触被测体系，待达平衡后，由测温物质的物理参数来反映所测的温度值。,（1）玻璃水银温度计,玻璃水银温度计是液体膨胀温度计的一种，它的测温物质是盛在上 端带有一支均匀毛细管的玻璃球中的水银，温度的变化造成水银体积的变化，从而使毛细管中的水银液面上升或下降，通过毛细管外壁的刻度，就能直接读出被测物体的温度。,它是利用水银具有钝化比较容易、比热小、传热速度快、膨胀系数比较均匀、不易粘附在玻璃上，而且水银不透明性等性质。,贝
4、克曼温度计,与普通温度计不同之处：贝克曼温度计能准确测量出温度差，但不能用来测量温度的绝对值。,贝克曼温度计的调节:,调节目的：使贝克曼温度计的毛细管中的水银面都落到合适的范围。,调节方法（一）：,a、确定贝克曼温度计在实验中的调节温度值（=实验起始温度+R）,b、连接贝克曼温度计贮汞槽与水银球中的水银,c、调整水银球中水银量,d、拿出断开水银,e、检验贝克曼温度计是否合要求,R值的确定：,将贝克曼温度计与另一支普通温度计一起插入盛水（或其它液体）的烧杯中，慢慢加热，注意观察贝克曼温度计水银的上升情况，当到达刻度K时，记下普通温度计的读数（t1）,温度继续上升,直到贝克曼温度计中水银柱上升到毛
5、细管末端M时,再记下普通温度计的读数（t2）,t2与t1之差即R值。即R=t2- t1,例如，在苯溶液凝固点降低实验中，K的刻度是4,该处应表示实验温度5.5(t),而从K位置的4到温度计末端M处实验证明R为3,则该调节温度为t+R=5.5+3=8.5,调节方法（二）：利用水银贮槽的标尺直接调节,a、先将贝克曼温度计倒置，让水银球中的水银依靠重力作用沿着毛细管下降，并与水银贮槽中的水银相连接。,b、轻轻放正温度计，注意不要让水银柱断开，此时贝克曼温度计顶端水银贮槽中的水银可慢慢流入水银球。注意观察水银液面在贮槽标尺上的位置，达调节温度的刻度时，按照正确的敲击手法使水银柱断开。,c、若调节温度低
6、于室温时，则需要将温度计放入低温浴中，水银液面才能慢 慢下降到所要求的标尺位置，然后按照同样的方法使水银柱断开。,d、检验贝克曼温度计是否合要求。,使用贝克曼温度计的注意点：,a、贝克曼温度计是精细玻璃制品，很容易破碎，操作 或放置时都要注意。,b、要将贝克曼温度计的水银柱断开时，必须注意掌握正确的敲击手法；要以右手紧握温度计的中部，并使温度近于垂直，用左手由下向上轻击右手腕。注意用力的方向与毛细管平行，力也不要用得太大，更不能直接敲击温度计。,c、必须注意勿让已经调节好的温度计毛细管中得水银与贮槽中的水银相接，调好的温度计最好直接安放在待使用的仪器上。,玻璃温度计使用时注意点:,a、玻璃易破
7、碎，因此不能受到撞击、折拗以及骤冷骤热等。,b、必须等待温度计与被测物体间达到热平衡、水银柱液面不再移动后方可读数，达到热平衡所需要的时间与温度计水银球的直径、温度的高底以及被测物质的性质等有关，一般情况下温度计浸在被测物体中约16分钟才能达到热平衡。,c、为了防止水银在毛细管壁上的粘附；在读数前常常必须轻轻敲击温度计，这一点在使用精密温度计时尤其必须注意。,d、读数时，水银柱液面，刻度和眼睛应保持在同一水平面上，以避免读数误差。 e、使用全浸式温度计测温时，应将温度计的水银部分全部浸没在被测体系中，否则必须进行校正。 f、由于温度计制作上的问题或者温度计使用日久可能造成温度计玻璃球变形而使温
8、度计读数与真实温度不符，此时温度计必须进行校正。,玻璃温度计温度计的校正：,a、零点校正：,将温度计置于冰水混合体系中，待其达到热平衡后观察零点的刻度是否正确，找出修正值。,b、定点校正：,用标准温度计进行直接比较，经多点校正后，作出温度计的使用校正曲线，这样，应用内插法就可找出温度计示值所对应的实际值。,c、露茎校正：,通常使用温度计时，多数情况下不可能把温度计的水银部分全部浸没在被测体系中。由于露在被测物体外的水银温度低于被测物体的温度而带来读数的误差，这部分误差可以通过露茎校正而消除。,校正公式： t= KL (t观-t环),K=0.000157，是水银对于玻璃的相对膨胀系数,L为露出被
9、测体系外的水银柱的高度。,t观为测量温度计上的读数,t环为露茎的平均温度,t环的值可用挂在测量温度计旁的辅助温度计（辅助温度计水银球应位于露茎长度的一半处）来读出。,校正后的真实温度的计算：,t真= t观 + t,（2）热电偶温度计,热电偶测温基本原理：,如果将两种不同的金属导线A、B连结起来，组成一个闭合回路，此时必然具有两个连结点，当两个连结点的温度不同（分别为T1和T2）时，则在两个连结点上产生的接触电势不一样，回路中就有电流通过。此时，在回路中接一电位差计，就可以测出此两导线连结时由于两连结点温度不同所产生的电势差温差电势 。,温差电势E的值与两个连结点温度差T成一定的函数关系： E
10、= f（T）,若将其中的一个连结点作为参考点，并维持温度恒定不变（常用冰水混合物，以维持0）那么,温差电势的大小就只与另一个连结点(测温点)的温度(T)有关.此时,关系式为：E = f（T）,所以，根据这一对不同金属导线中的温差电势值就能显示出测温点的温度。,热电偶温度计的分类,不是任何两种不同的金属丝焊接在一起都可以组成热电偶温度计，只有那些性质稳定（在测量范围不易氧化或不发生其它变化）温差系数大（温度每变化一度产生的温差电势较大）的金属丝才能使用。,所以按所用各种合金的组成都是固定不变的，可分为：,热电偶的制作和校正,a、焊接：先将选定的金属丝擦去外层氧化膜后再绞合在一起，然后在电弧或氢氧
11、焰上加热，使其熔结在一起。,b、绝缘及其它保护处理：为避免组成热电偶的两根金属丝相碰而短路，一般都在金属丝上装以绝缘套管，如磁管、玻璃管。为了避免热电偶和被测物体直接接触，常在热电偶外再套上热容量小，传热快的套管如钢管、不透钢管等。为了加快热量传递，有时可在套管中注入适量的硅油。,c、测试：测量热电偶的温差电势时，常选用两付相同的热电偶对接，使一对热电偶的连接点置于零度，另一对的连接点置于测温位置，并用电位差计通过补尝法测量，这种测量方法可以直接测得温差电势的精确数值，具有很高的准确性。,d、校正和标定：热电偶常用温度的定点和冰点、凝固点、沸点等进行标定。测定数点后，作出热电偶的温差电势对温度
12、的关系曲线，此即为所使用的热电偶的工作曲线，实际测温时，在测得热电偶的温差电势后，就可以应用热电偶工作曲线通过内插法求出被测物体的温度。,热电偶温度计的优点,a、灵敏度高。在精密的电位差计配合下可测至0.01,如将热电偶串联起来组成热电堆,灵敏度可达到0.0001,热电偶测温的量程很宽,应用不同的热电偶可以从-200测至1800,b、具有良好的重现性,c、可以用于导线远距离输送,2.非接触式温度计,在测量时与被测物质并不接触，而是利用被测物质所反射的电磁辐射，根据其波长分布或速度和温度之间的函数关系进行温度之间测量的。,例如，光电温度计是利用被测物体所发生的光讯号被接收后转换成电讯号，根据电讯
13、号的强弱表示出被测物体的温度。,除此之外还有：光学高温计、红外光电温度计等。,特点：不干涉被测体系，无滞后现象，但测温精度较差。,三、温度的控制,维持恒定温度的最简便方法：利用物质相变时温度的恒定性。如以冰水体系来实现0恒温,这是因为冰和水处于相变平衡时温度维持不变。相变点恒温介质浴恒温的最大优点是装置简单、温度恒定， 缺点是对温度的选择的一定的限制，不能任意调节。,许多物理化学实验都必须控制在一定的温度下进行，如化学反应平衡常数的测量、速率常数的测定等。,根据所需控制温度的不同以及选用恒温介质的差别，可以将恒温系统分为：,恒温槽,高温控制器,比例积分微分温度控制（PID调节）系统,1. 恒温
14、槽,恒温槽是以液体为介质的恒温装置，当采用不同的液体时，恒温槽可以用于不同温度区间，不同液体介质所适用的控温范围不同。,（1）恒温槽的组成,槽体,恒温介质（常用水）,搅拌器（作用：保证恒温槽中介质的温度均匀）,加热器 （电加热器的间歇加热来实现恒温控制）,温度计（精密度为0.1的温度计、精密度为0.01的温度计、贝克曼温度计）,控制装置,关于控制装置,作用：对加热器作出控制，当恒温槽低于指定温度时，使加热器工作，对恒温介质提供热量；而当恒温槽到达指定温度时，则停止加热。,控温装置中包括接触温度计和晶体管继电器。,接触温度计能根据需要发出“通”“断”讯号，但不能用它来直接启动灵敏继电器工作，因为
15、灵敏继电器的工作电流需要数毫安，这样的电流能使钨丝和水银之间产生电火花，从而造成水银表面氧化从而沾污毛细管，所以接触温度计必须与晶体管继电器联用。,接触温度计的构造：,一个良好的恒温槽要求：,具有高灵敏度的控温装置；加热器导线良好而且功率适应；恒温介质热容量大且搅拌均匀；各种部件的位置对恒温槽的灵敏度也有影响。,2. 高温控制器,(1)高温控制器是指当实验需要在高温下进行时，控制温度的仪器。 (2)恒温介质：多采用空气（一般不用液体） (3) 类型：目前用得较多的是动圈式温度控制器。,3.比例积分微分温度控制系统,前面两种控温装置都是断续式位置温度控制，这些控温方式虽然比较简便，但加热器内的电流只有通和断两种状态，电流的大小并不自动调节，因此在外界环境条件变化比较大时，往往控温的精度比较差。,利用可控硅的特性并采用比例积分微分调节器，使加热器能随着偏差信号的大小用相应的变化从而达到较高的控温精度。,
