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1、第二章 温度测量一，温度及温标1，温度（Temperature）（1）温度的基本概念温度1：通俗说，是物体状态函数，是表示物体冷、热程度的物理量。温度2：微观说，温度是对分子平均动能大小的一种度量，其高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，温度是物体大量分子热运动的共同表现。温度含有统计意义，对于单个分子，温度是无意义的。温度3：温度反应了热平衡。温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。物体或空间区域与邻近物体或空间区域是否存在热流（能量交换）及流动方向，描述这种行为的量称为温度。若无热量流动，则称该物体或空间在这个温度下达到了热力学平衡。（2）温度的测量理论基础设计与制作温度计的理论
2、基础：如果已知一个物体的某些性质或状态随温度变化的定量关系，就可以通过该物体的性质或状态的变化情况来获知温度。当两个物体处于一个系统中而达到热平衡时，二者就具有相同的温度。因而可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度。测温物质自然界中有很多物质，其性质或状态，如电阻、热电势、体积、长度、辐射功率等，都与温度有关，但并不是所有物质都可作为感温元件，测温物质的选择必须满足以下条件：A，物质的某一属性G仅与温度T有关，即，其函数关系必须是单调的，且最好是线性的。B，随温度变换的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵敏度和测量的准确度。C，应有较宽的测量范围。D，应有较好的复现性和稳定性。
3、完全满足上述条件的物质是难以找到的，一般只能在一定的范围内近似满足，因此由不同材料和结构形式制成的温度计各有优缺点。2，温标（Temperature Scale）（1）概念温度的数值表示方法叫温标。温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位。各种测温仪表的分度值就是由温标决定的。温标就是温度的标识。（2）建立温标三要素选择温度固定点； 选择测温物质，确定它随温度变换的属性及测温属性；规定测温属性随温度变化的规律。（3）常用温标经验温标借助于某种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。它主要指摄氏温标和华氏温标。这两种温
4、标都是根据液体受热后体积膨胀的性质建立起来的。A，摄氏温标原始的摄氏温标的建立是选择装在玻璃毛细管中的液体作为测温物质。随着温度的变化，毛细管中液体的长短反映了液体体积膨胀这一测温属性。选择1.01325*105Pa下水的冰点温度作为下限（0OC）、水的沸点作为上限100OC，并且认为在两点之间液柱的长短与温度的关系是线性的，在0-100OC之间均分100等分，每一等分为1摄氏度，单位符号为OC。摄氏温标虽不是国际统一规定的温标，但我国目前还在继续使用。摄氏温标特点：易复现，但不确定，不能外推，缺乏理论基础。B，华氏温标（Fahrenheit）华氏温标的建立与摄氏温标类似。华氏以实验室所能达到
5、的最低温度（水+纯水+氯液或冰+盐）为0 OF，实际为-17.8OC，以它的体温口或腋下为100OF，实际为37.8OC，创建了首个温标。后来规定在1.01325*105Pa下水的冰点为32 OF。水的沸点为212 OF，中间划分为180等分，每一等分为华氏度，单位符号为OF。华氏温标已淘汰，不再使用。华氏和摄氏的关系为：可见：-40=-40。C，结论：摄氏温标和华氏温标在测温学的发展中起过重要的作用，但存在明显缺点：l 温度测量依赖于选用的测温物质，且应用范围受制作温度计的材料和工作物质的限制；l 温标的定义具有较大的随机性。虽然它们都选用冰点温度和沸点温度作为固定点，但基本单位不同，所确定
6、的温度数值也就不同，不能严格保证世界各国所采用的基本测温单位完全一致。l 假设温度与工作物质的关系为线性，而实际情况并非如此，从而造成中间温度的测量差异。热力学温标热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，单位为K。热力学温标是以热力学第二定律(热只能从热处传递到冷处)为基础的一种理论温标，也是理想气体温标。已被国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。其特点是不与某一特定的温度计联系，且与测温物质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。规定一个绝对零度-273.15，低于零度的温度不可能存在，绝对零度下原子停止运动，0k是不会向外界放出热量的状态。绝对零度是
7、自然界的所能达到的最低温度。在热力学中从理论上证明，热力学温标与理想气体温标完全一致。所以经常借助气体温度计经示值修正后来复现热力学温标，但设备复杂、价格昂贵，不适用于实际应用。国际实用温标为了使用方便，国际上协商确定，建立一种既使用方便、容易实现、各国通用，又能体现热力学温度的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。国际温标通常具备三个条件：A，尽可能以当代科技水平接近热力学温度；B，复现准确度高，使各国都能准确地复现同一国际温标，确保温度量值的统一性；C，用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定。国际温标的基本内容如下：A，选择一些纯物质的固定点（可复现的平衡态）的温度作为温标的基准点
8、；即按某些材料的特殊热力学状态，确定了一组参考温度值。这些特殊的热力学状态，其温度是确定的（不一定都有三态点，如玻璃。凝聚态：固液态、及液晶、等离子体等态）。金点：固液平衡-1064.18银点：固液平衡-961.78铝点：固液平衡-660.323锌点：固液平衡-419.527锡点：固液平衡-231.928水三态点：0.010氩三态点；-189.3442氖三态点：-248.5939氡三态点；-259.3467B，规定了不同温度范围内的基准仪器（或称内插仪器），也就是测温物质；C，在温标基准点上分度，确定各固定点温度间的内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与国际温标数值之间的关系，是反映温度计特性
9、曲线的函数。（确定温度和测温物质之间的对应关系）*温标基准点、基准仪器、内插公式被称为国际实用温标“三要素”。D，第一个国际温标1927年建立，此后大约每隔20年进行一次重大修改：ITS27；ITS48；ITS68；ITS90；ITS90被我国广泛采用：A，定义固定点。ITS90中定义固定点17个，固定点两个温度的关系为：摄氏温度，。热力学温标，。B，基准仪器。ITS90的内插用标准仪器，是将整个温标分为4个温区。温标的下限为，向上到用单色普朗克辐射定律实际可测得的最高温度：l 3He和4He蒸汽温度计；0.655.0K。（用这种仪器作为温度基准，复现温标）l 3He和4He定容温度计：3.0
10、24.5561K。l 铂电阻温度计：13.80331234.93K。l 光学或光电高温计：1234.93K以上。上述1、2属于低温区；3属于中温区；4属于高温区。C，内插公式。每种内插标准仪器在n个固定点温度下分度，以此求得相应温度区内插公式中的常数。（如铂R=f（T）（4）温标的传递国际上为了统一温度测量标准，相应建立自己国家的温度标准作为本国温度测量的最高依据国家基准。我国的温度基准建立在中国计量科学院。各地区、省、市建立的为次级标准，需定期由国家基准检定。测温仪表按工作准确度可分为：基准、工作基准、一等基准、二等基准以及工作用仪表。不管哪一级仪表都得定期到上一级计量部门进行检定。对测量仪
11、表进行检定是对测温仪表进行分度的另一项重要任务。二，温度测量仪表的分类1，分类根据工作原理分类温度测量仪表：（1）基于物体受热膨胀原理的膨胀式温度计；（2）基于导体或半导体电阻值随温度变化关系的热电阻温度计；（3）基于热电效应的热电偶温度计；（4）基于普朗克定律的辐射温度计：全辐射温度计、亮度温度计（光学高温计和光电高温计）、比色温度计（双比色、三比色）。（5）基于全反射原理的光纤温度计；（6）其它温度计。如集成温度传感器制成的温度计、晶体管温度计等。根据测温范围：高温、中温和低温温度计。根据仪表准确度等级：基准、标准和工业温度计。根据测量方法或温度传感器使用方式：接触式测温仪表（低温区）、非
12、接触式测温仪表（高温区）。2，接触式测温仪表（1）原理由热平衡原理可知，两个物体接触后经过足够长时间达到热平衡，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实现温度测量，这种测温方式称为接触法测温，以此为基础设计的温度计称为接触式测温仪表。测量时温度计必须与被测物体直接接触，充分换热。主要是测量低温。（2）优点A，测温准确度相对较高；主观可靠；B，系统结构相对简单，测温仪表价格较低；C，可测量任何部位温度；D，便于多点集中测量和自动控制。（3）缺点A，测温有较大滞后；B，接触过程中易破坏被测对象的温度场分布和热平衡状态；C，不能测量移动的或太小的物体；D，测温上限受到温度
13、计材质的限制，故所测温度不能太高；E，易受被测介质的腐蚀作用，对感温元件的结构、性能要求苛刻，恶劣环境下使用需外加保护套管。（4）重要接触式测温仪表有：膨胀式温度计、热电阻温度计和热电偶温度计。3，非接触测温仪表（1）原理基于物体的热辐射原理设计而成。测量时感温元件不与被测对象直接接触。通常用来测定1000以上，移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度或表面温度。（2）优点A，测温范围广，适于高温物体测量；B，测温过程中不破坏被测对象温度场，不影响原温度场分布；C，能测运动物体温度；D，热惯性小，探测器的响应时间短，测温响应速度快，约2-3秒。易于实现快速与动态温度测量。在一些特定条件下，例如：核
14、子辐射场，辐射测温可以进行准确而可靠的测量。（3）缺点A，不能直接测得被测对象的真实温度，精度不高；B，辐射温度计的测量受中间介质的影响较大.特别是工业现场条件下，周围环境比较恶劣，中间介质对测量结果影响较大。这种情况下温度计波长范围的选择是很重要的。C，辐射测温原理复杂，导致温度计结构复杂，价格较高；（4）非接触式测温仪表主要有辐射温度计、光纤辐射温度计等，其中前者又分为全辐射温度计、亮度温度计（光学温度计、光电高温计）和比色温度计。三，膨胀式温度计利用物质的热膨胀（体膨胀或线膨胀）性质与温度的物理关系制作的温度计称为膨胀式温度计。玻璃液体温度计。1， 热胀冷缩（1）液体、固体体积会随着温度
15、升高而增大，反之减小。如钢轨缝隙、热管道串入膨胀节或弯头、电缆线留余长。线膨胀公式：（在一定温度范围内视为线性）。其中，是物质的线膨胀系数。面膨胀系数。体积膨胀系数。例如：在20附近铅；钢；石英；汽油的体积膨胀系数。可见汽油膨胀比钢油箱还大，故夏天汽油会溢出。（2）气体，因占满整个空间，表现为，欲占据更大空间的趋势愈强。可以从分子、原子震动观点看，动能变大，相邻分子碰撞加剧，拉长了分子之间的距离；从每个原子看，四周任何方向都会增长一定的距离，原子更多的物质，膨胀更多；（3）热固性体既不能熔化，也不能溶解，无膨胀性，如：胶木、甲醛树脂、环氧树脂（粘件时会剥离下来的原因）。（4）带孔物体的涨缩，孔的面积也增大，约：，是物体的面膨胀系数就像插入一个扦子一样，也可空画一条线圈，这个圈也会胀大，而不是向内收缩。（5）热应力热胀冷缩时，各部分因物质不同，温度不均而导致的力，如玻璃杯碎掉，复杂的说热胀量与曲率凸凹状况有关。（7）应用液氮下低温装配，骨折手术卡等。2，玻璃液体温度计（1）简介玻璃液体温度计是利用感温液体（水银、酒精、
