温度、热力学第一定律和 热力学第二定律热能系工程热物理研究所 段远源高等热力学 清华大学热能工程系2温度的定义 •人们的经验：温度是表征物体冷热程度的 物理量 l同样温度，不同人感觉不同； l冬天相同温度下，铁比木头凉，人的感觉还和 导热系数等因素有关； •微观意义：物质微观热运动的宏观体现， 与分子平均动能成正比 l难以确定分子平均速度； 温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系3热力学第零定律•热力学第零定律：如果系统B和C分别与系 统A处于热平衡，则它们也彼此处于热平衡 •温度的热力学定义：决定一个系统是否与 其它系统处于热平衡的宏观性质处于热 平衡的各系统温度相同 •温度测量的依据，被测物体与温度计处于 热平衡，可以从温度计的读数确定被测物 体的温度 温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系4温度测量和温度计 •温度计测温原 理：当物体的 温度改变时， 其它性质也将 随之变化，可 根据这些性质 中的某些参数 测量物体的温 度，指明温度 的数值 温度与热力学第零定律 温度计测温属性气体温度计压力或体积液体温度计体积电阻温度计电阻热电偶热电动势磁温度计磁化率光学温度计辐射强度高等热力学 清华大学热能工程系5温标 •给温度赋予数值，须科学地建立规则，把 不同温度指定为不同数值，即温标。
•华氏温标 ：盐水混合物冰点为零度，人体 温度为96度，水冰点与蒸气点分别为32和 212度，按水银温度计的长度等分；•摄氏温标：1个标准大气压下水的冰点和蒸 气点之间的温度等分为100度，以冰点作为 零点 温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系6热力学温标•经验温标的问题：l什么叫做均分？l不同物质作为测温工质会得到不同的结果；•热力学温标：从热力学第二定律出发得到 的绝对温标，与任何工质无关，是理论温 标；温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系7热力学温标的导出温度与热力学第零定律 工作在三个恒温热源 之间的卡诺循环 因此有：对于可逆循环成立：如果取f(t)=T则：高等热力学 清华大学热能工程系8热力学温标与其它温标温度与热力学第零定律 热力学温标： 只需定义一个 温度的量值， 其它温度值就 全部确定了 1854年，开尔 文提议将水的 三相点温度定 义为273.16 K， 1954年第十届 国际计量大会 正式采纳K°C°F水三相点273.160.0132.02冰点273.150.0032.00水沸点373.124399.9743211.95绝对零度0-273.15-459.67高等热力学 清华大学热能工程系9理想气体温标•利用某些气体在低压下压力或容积随温度 的变化是确定温标的最佳选择；•理想气体温标其定义与热力学温标一致， 是其一级近似，不过是一种经验温标；•定容式温度计的测量原理：温度与热力学第零定律 )(lim16.273)( 0KpppTtrptr®=trtrTppT = 高等热力学 清华大学热能工程系10理想气体温标应用温度与热力学第零定律 Tptr气体A气体B气体C高等热力学 清华大学热能工程系11气体温度计的缺陷 •气体温度计是一种一级标准仪器 ；•主要缺点：l原理简单，但温度特别低，气体会冷凝，将偏 离理想气体的性质；l在高温下会离解；l容积随温度的升降会张缩，不易准确测定；l不适于实验室或工业过程中的实际温度测量。
•需要有一种简单、容易再现，便于使用的 二级标准温度计 温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系12热力学温度与国际温标•热力学温度：根据热力学第二定律定义，是唯一 能够统一而又明确地描述热力学性质和现象的温 度，与任何特定物质的性质无关，国际公认的最 基本的温度；•问题：我们无法直接将实际系统的可测性质与热 力学温度相联系写出一个完善的表达式，我们只 能用实际系统来逼近理想行为 •基准温度计(Primary thermometer)温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系13热力学温度与国际温标•用绝对测量仪器实现热力学温度，从理论到实践 都很复杂性，测量复现性有限；•次级温度计(实用温度计)：较简单的经验公式、 实验数据拟合；•依赖实用温度计的实用温标：国际温标l1887年，Chappuis在国际计量局(BIPM)设计了第一个 国际“标准温标”(Echelle Normale)，以定容式氢气体 温度计为标准，用水银温度计传递；l第一个国际温标：1927年国际温标；l国际温标的发展历史就是人们不断探索、不断逼近热 力学温标这个终极目标的过程温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系14国际温标的发展•1927年国际温标(ITS-27)l1927年第七届国际计量大会采纳；l克服气体温度计直接复现热力学温度的困难， 作为普遍能接受的温标替代各国不同标准；l温度测量精密、可复现、接近于当时能测量的 热力学温度；l在氧沸点和金凝固点间基于一系列可复现的温 度(或称固定点)和两种标准内插仪器(铂电阻温 度计，铂铑-铂热电偶)；l金凝固点以上基于维恩定律，光学温度计复现 。
温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系15国际温标的发展•1948年国际温标(ITS-48)l第九届国际计量大会采纳；l铂电阻温度计下限由-190℃调整为氧沸点(-182.97℃)， 与热电偶衔接温度变为锑凝固点(约630 ℃)；l银凝固点定义为960.8℃ (原为960.5℃)，金凝固点代替 金熔点(1063℃)；l普朗克辐射定律代替维恩定律 •1948年国际温标(1960年修订版)(ITPS-48)l水三相点(0.01℃)代替冰融点作为该温区分度点(1854 年开尔文提议水三相点作为热力学温度的基准，100年 后第十届国际计量大会采纳，1960年开始应用)；l锌凝固点(419.505 ℃)代替硫沸点(444.6 ℃)；l铂电阻温度计和热电偶内插公式再次修改温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系16国际温标的发展•1968年国际实用温标(IPTS-68)l第十三届国际计量大会授权国际计量委员会1968年公 布，变化较大，更接近热力学温度；l温度下限延伸至13.81 K；l引入6个新定义的固定点，即平衡氢三相点(13.81 K)， 平衡氢中间点，平衡氢沸点，氖沸点，氧三相点，锡 凝固点(替代水沸点)；取消硫沸点；l调整4个固定点的值：氧沸点，锌凝固点，银凝固点 (961.93 ℃)，金凝固点(1064.43 ℃)；l铂电阻内插公式更加复杂精确，调整普朗克第二辐射 常数的值； •1968年国际实用温标(1975年修订版)(IPTS-68)l叙述更加明了，使用简便，无数值重要变化；l氧沸点被定义为氧冷凝点；l氩三相点(83.798 K)可作为氧冷凝点的另一选择点；l采用氖自然同位素成分的新值。
温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系17国际温标的发展•1976年0.5 K到30 K的暂行温标(EPT-76)l明显减小了原有定义中30 K以下温度的偏差；l填补了5.2 K到13.8 K之间的空隙；l设计了11个参考点和一个热力学内插仪器；l但由于缺乏内部一致性，各复现之间可能出现 细微的含糊温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系181990年国际温标(ITS-90)•第十八届国际计量大会(CGPM)及第七十七届国 际计量委员会(CIPM)决议，1990年1月1日起全世 界开始实施1990年国际温标(ITS-90)；•我国1991年7月1日开始使用1990年国际温标(ITS- 90) ；l易复现的固定点的气体温标温度和用以检定仪器的二 级参考点的温度；l实现二级温度标准的仪器仪表的种类和根据固定点进 行内插或外推的公式；l调整了多个固定点的取值和内插公式；l定义了0.65 K以上全部温度范围，全量程均非常接近 于热力学温度的最佳估计值，但远比直接测量热力学 温度方便得多 温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系191990年国际温标(ITS-90)•主要特点：l规定了多个固定点温度；l0.65到5.0K的蒸气压测量 ；l从3.0到24.5561K用氦气定容温度计测量 ；l13.8033到1234.93K用按照技术规范在表中的固 定点标定的标准铂电阻温度计测量 ；l高于1234.93K通过测量可见光谱的辐射强度， 根据Planck黑体辐射定律计算温度与热力学第零定律 高等热力学 清华大学热能工程系20ITS-90中部分重要固定点温度与热力学第零定律 物质状态T90/KWr(T90) e-H2平衡氢三相点13.80330.001 190 07 Ne氖三相点24.55610.008 449 74 Ar氩三相点83.80580.215 859 75 Hg汞三相点234.3156 0.844 142 11 H2O水三相点273.161.000 000 00 Ga镓熔点302.9146 1.118 138 89 In铟凝固点429.7485 1.609 801 85 Sn锡凝固点505.0781.892 797 68 Zn锡凝固点692.6772.568 917 30 Ag银凝固点1234.934.286 420 53高等热力学 清华大学热能工程系21温度电桥温度与热力学第零定律 Hart 1590超 级电阻测温 仪1 ppm，相 当于0.25 mKMI 6242T自动温度电桥， 中国计量科学研究院标定， 不确定度水三相点0.1 mK， 锡凝固点(505.078 K)0.2 mK高等热力学 清华大学热能工程系22一等标准铂电阻温度计温度与热力学第零定律 一等标准铂电阻温度计(昆明大方仪表厂) 不确定度±0.001 K高等热力学 清华大学热能工程系23水的三相点瓶装置温度与热力学第零定律 水三相点再现不确定度 小于0.1 mK高等热力学 清华大学热能工程系24温度与热力学第零定律 状态温度激光管内发射激光的气体0 K宇宙大爆炸后的10-43 s1032 K氢弹爆炸中心108 K实验室已获得的最高温度6107 K太阳中心1.5107 K地球中心4000 K乙炔焰2900 K月球向阳面400 K(127 C)地球最高气温（利比亚）331 K(58 C)地球上的最低气温（南极 ）185 K(-88C)月球背阴面90 K(-183 C)He的正常沸点4.2 K星际空间2.7 K核自旋冷却法 激光冷却法(朱棣文)210-10 K 2.410-11 K我们身边的温度高等热力学 清华大学热能工程系25热力学第一定律的意义•热力学第一定律：表达了能量在传递和转 化过程中的守恒性，自然界必须遵循的普 遍规律之一。
•热力学分析的任务是研究系统的状态变化 以及系统状态变化过程中系统与外界能量 和物质的作用，因此热力系统的选取要明 确系统与外界，以便于分析系统与外界的 相互作用 热力学第一定律 高等热力学 清华大学热能工程系26能量与能量守恒的发现•18世纪，意大利外科医生高瓦尼(Luigi Galvani, 1737-1798)发现，带电金属块可使死青蛙的腿抽 动－电创造了生命？ •1800年，物理学家伏达(Alessandro Volta, 1745- 1827)认识到这不过是由于电流的通过引起的，发 明了“伏达电极”，世界上第一个“化学电池”：电 流从化学反应中产生； •19世纪30年代，法拉第(Michael Faraday, 1791- 1867)发现了其逆效应，即电流可以驱动化学反应 ，电流也可以产生光和热； 热力学第一定律 高等热力学 清华大学热能工程系27能量与能量守恒的发现•1819年，丹麦学者奥斯特(Hans Christian Ǿrsted, 1777-1851)发现电流还可以产生磁场 ；•1822年，德国学者塞贝克(Thomas Seebeck, 1770- 1831)发现了“热电效应”，热效应可产生电流。