温度的测量与控制讲座(蔡跃鹏)

温度的测量与控制蔡跃鹏华南师范大学物理化学研究所2011年10月8日温度是表征体系中物质内部大量分子、原子平均动能的一个宏观物理量。物体内部分子、原子平均动能的增加或减少，表现为物体温度的升高或降低。物质的物理化学特性，都与温度有密切的关系，温度是确定物体状态的一个基本参量，因此准确测量和控制温度，在科学实验中十分重要。21. 温度测量的基本依据2. 温标3. 温度计4. 温度控制主要内容 31.温度测量的基本依据测温的基本依据：热力学第零定律，它是个经验定律.热力学第零定律使温度的概念建立在稳固的基础上：（1）可以判断两个体系是否已经达到热平衡（2）体系内部的温度均匀分布、具有确定的温度值（3）一个体系的温度可以用与之达到热平衡的体系的温度来表达42.温标定义：温度的标准量。确立一种温标，需要确定以下三点：(1)测量物质的选择:测温物质的某种物理性质如:体积、电阻、温差电势以及辐射电磁波的波长等与温度有依赖关系而又有良好的重现性。(2)固定点得选择：物质的物理特性，只能显示。通常是以某些高纯物质的相变温度，作为温标的基准点。(3)温度值得划分：确定基准点之间的分隔，如:摄氏温标是以1atm下水的冰点（0度）和沸点（100度）为两个定点，分为100等份，每一份为1度。用外推法或内插法求得其它温度。 5常见温标之一摄氏温标 使用较早，应用方便； 用t表示，单位； 测量物质：水 固定点的选择：在标准压力下，水的凝固点 （0 ）和沸点（100） 温度值的划分：在以上两点之间一百等分。6常见温标之二热力学温标 1848年，由开尔文提出，建立在卡诺循环基础上，与测温物质无关，是一种理想温标； 用T表示，单位K； 测温物质：水； 固定点：使用单一固定点水的三相点（273.16K） 温度值的划分：1K是水的三相点热力学温度的 1/273.16。 T - t 之间的对应关系：T /K= t/+273.157常见温标之三华氏温标 1712年，德国物理学家华伦凯特提出； 用tF表示，单位 F； 测温物质：水； 固定点：标准大气压下，水的冰点为32F，水 的沸点为212F； 温度值的划分：在以上两点间180等分； tF - t 之间的对应关系： tF/F= （9/5)t/+3283. 温度计（1）原理：对温度计来讲，选择作为测量的物质必须是（1）它的某一物理量容易而能准确地测量；（2）测量值与温度成单调变化关系（一般为线性关系）；（3）这种变化的数量关系能重复得到，这样就可以用这些物质的物理量相对应地表示温度值。根据这些特性设计并制作成各类温度计。如体积，长度，压力，电阻，温差电势，频率和辐射波长等。9(2) 温度计的分类 按测量方式分类：接触式和非接触式 按用途分类：温度测量和温差测量10国际温标规定从低温到高温划分为四个温区，分别选用一个高度稳定的标准温度计来度量各固定点之间的温度值。这四个温区及相应的标准温度计如下：温度范围 标准温度计13.81273.15K 铂电阻温度计273.1903.89K 铂电阻温度计903.89K1337.58K 铂铑（10%）-铂热电偶1337.58K以上 光学高温计(a) 玻璃-水银温度计11水银温度计是实验室常用的温度计。它的结构简单，价格低廉，具有较高的精确度，直接读数，使用方便;但是易损坏，损坏后无法修理。水银温度计适用范围为235.15K到633.15K（水银的熔点为234.45K，沸点为629.85K），如果用石英玻璃作管壁，充入氮气或氩气，最高使用温度可达到1073.15K。常用的水银温度计刻度间隔有:2K、1K、0.5K、0.2K、0.1K等，与温度计的量程范围有关，可根据测定精度选用。1.普通水银温度计：一般使用-5度105度、150度、250度、360度等等，每分度1度或0.5度。2.精密温度计：供量热学使用有9度15度、12度18度、15度21度、18度24度、20度30度等，每分度0.01度。3.测温差的贝克曼(Beckmann)温度计，是一种移液式的内标温度计，测量范围-20度+150度，专用于测量温差。4.电接点温度计(导电表，电接触温度计），可以在某一温度点上接通或断开，与电子继电器等装置配套，可以用来控制温度。 5.分段温度计（成套温度计 ），从-10度220度，共有23只。每支温度范围10度，每分度0.1度，另外有-40度400度，每隔50度1只，每分度0.1度。*水银温度计的种类和使用范围:12*玻璃水银温度计的校准(1) 读数校正 零点校正以纯物质的熔点或沸点作为标准进行校正 定点校正以标准水银温度计为标准，与待校正的温度计同时测定某一体系的温度，将对应值一一 记录，做出校正曲线 标准水银温度计由多支温度计组成，各支温度计的 测量范围不同，交叉组成-10度到360度范围，每支 都经过计量部门的鉴定，读数准确。1314水银温度计有“全浸”和“非全浸”两种。非全浸式水银温度计常刻有校正时浸入量的刻度，在使用时若室温和浸入量均与校正时一致，所示温度是正确的。全浸式水银温度计使用时应当全部浸入被测体系中，如不能全部浸没，露出部分与体系温度不同，必须进行校 正。称为露茎校正。校正公式为: (2) 露茎校正t kn(t测-t环)(b) 温差温度计贝克曼温度计 测量体系温度范围在20 150 内的微小温差变化； 一般只有5量程； 它的最小刻度为0.01，用 放大镜可以读准到0.002，测量精度较高 ； 需调节才能适合使用。15(c) 温差温度计精密温差测量仪 代替贝克曼温度计用来测量微小温度差的仪器 是精密温差测量仪。 测量原理为：温度传感器将温度信号转换成电 压信号，经过多极放大器后传至显示器； 常见型号的主要技术指标：准确度 ±0.02 ±0.001，测量温差的范围 2080。16电阻温度计是利用感温元件的电阻随温度变化的特性制成的测温器件。任何物体的电阻都与温度有关，因此都可以用来测量温度。但是，能满足实际要求的并不多。在实际应用中，不仅要求有较高的灵敏度，而且要求有较高的稳定性和重现性。目前，按感温元件的材料来分有金属导体和半导体两大类。金属导体有铂、铜、镍、铁和铑铁合金。目前大量使用的材料为铂、铜和镍。铂制成的为铂电阻温度计，铜制成的为铜电阻温度计，都属于定型产品。半导体有锗、碳和热敏电阻（氧化物）等。电阻温度计的应用范围已经由中、低温度(-200-850C)范围扩展到1-5C的超低温领域和高温(1000-1200C)范围。(d) 热电阻温度计 17两种不同金属导体构成一个闭合线路，如果连接点温度不同 ，回路中将会产生一个与温差有关的电势，称为温差电势。这 样的一对金属导体称为热电偶，可以利用其温差电势测定温度 。热电偶根据材质可分为廉价金属、贵金属、难熔金属和非金 属四种。(e) 热电偶温度计接触电势： 取决于两种不同材料的性质； 温差电势E： E=f(，T）= f(T）= f(T1）18热电偶的两根材质不同的偶丝，需要在氧焰或电弧中熔接 。为了避免短路，需将电偶丝穿在绝缘套管中。使用时一般是将热电偶的一个接点放在待测物体中(热端)， 而 将另一端放在储有冰水的保温瓶中(冷端)，这样可以保持冷 端的温度恒定。为了提高测量精度，可将几支热电偶串联，称为热电堆。 热电堆的温差电势等于各个热电偶温差电势之和。热电偶是目前工业测温中最常用的传感器，这是由于它具有 以下优点： 测温点小，准确度高； 灵敏度高，可达10-4 ； 品种规格多，测温范围广，在2702800范围内有相应产品可供选用； 结构简单，使用维修方便，可作为自动控温检测器等。18热电偶的使用 电偶的五对互连 4. 温度的控制许多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，有的实验还需要控制程序升温和程序降温，例如差热分析技术。另外，物质的物理化学性质，如粘度、密度、蒸气压、表面张力、折光率等都随温度而改变，要测定这些性质必须在恒温条件下进行。一些物理化学常数如平衡常数、化学反应速率常数等也与温度有关，这些常数的测定也需恒温，因此，掌握恒温技术非常必要。恒温控制可分为两类，一类是利用物质的相变点温度来获得恒温，但温度的选择受到很大限制;另外一类是利用电子调节系统进行温度控制，此方法控温范围宽、可以任意调节设定温度。 1920(1)恒温槽恒温槽是常用的一种以液体为介质的恒温装置，根据温 度控制范围，可用以下液体介质:-60度30度用乙醇或乙醇 水溶液; 0度90度用水; 80度160度用甘油或甘油水溶液 ;70度300度用液体石蜡、汽缸润滑油、硅油。1.浴槽； 2.加热器； 3.搅拌器； 4.温度计； 5.电接点温度计； 6.继电器； 7.贝克曼温度计 A:磁性螺旋调节器；B:电极引出线；C:指示螺母；D:可调电极；E:上标尺；F:下标尺。 接触式温度计 工作原理：它有两个电极，一个固定与底部水银球相连，另一个可调电极是金属丝，由上部伸入毛细 管内。顶端有一个磁铁，可以旋转螺旋丝杆， 用以调节金属丝的高低位置，从而调节设定温 度。当温度升高时，毛细管仲水银柱上升与金 属丝接触，两电极被接通，使继电器线圈中电 流断开，加热器停止加热；当温度降低时，水 银柱与金属丝断开，继电器线圈通过电流，使 加热器线路接通，温度又回升。如此，不断 反复，使恒温槽控制在一个微小的温度区间内波动，被测体系的温 度也就限制在一个相应的微小区间内，从而达到恒温的目的。21（2）恒温槽恒温介质的选择根据恒温范围，可以选用不同的恒温介质： 6030用乙醇或乙醇水溶液； 090用水； 80160用甘油或甘油水溶液； 70300用液体石蜡、汽缸润滑油、硅油。22（3）恒温槽恒温效果的评价方法恒温槽的温度控制装置属于“通”“断”类型，当加热器接通后，恒温介质温度上升，热量的传递使水银温度计中的水银柱上升。但热量的传递需要时间，因此常出现温度传递的滞后，往往是加热器附近介质的温度超过设定温度，所以恒温槽的温度超过设定温度。同理，降温时也会出现滞后现象。由此可知，恒温槽控制的温度有一个波动范围，并不是控制 在某一固定不变的温度。控温效果可以用灵敏度t表示:t = ±(t1 t2)/2式中t1为恒温过程中水浴的最高温度；t2为恒温过程中水浴的最低温度。23曲线:(a)表示恒温槽灵敏度较高;(b)表示恒温槽灵敏度较差;(c)表示加热器功率太大;(d)表示加热器功率太小或散热太快控温灵敏度曲线 影响恒温槽灵敏度的因素很