溫度和壓力的測量.ppt

1、溫度和壓力的測量,一、溫度的測量,溫度是一個用來表征物體冷熱程度的物理量，它是物質(zhì)內(nèi)部大量分子做無規(guī)則運(yùn)動強(qiáng)度的一種量度。 分子無規(guī)則運(yùn)動的強(qiáng)度越大（即分子的平均平動能越大），溫度就越高。 一個體系達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，體系各個部分的溫度相等。 當(dāng)兩個溫度不同的物體相接觸時，熱從高溫物體傳給低溫物體。,1、溫標(biāo),溫標(biāo)是溫度量值的表示方法，確立一種溫標(biāo)應(yīng)包括：確定固定點(diǎn) 選擇測溫儀器 分度方法的規(guī)定。,目前，物理化學(xué)中常用的溫標(biāo)有兩種：熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)。,（1）、攝氏溫標(biāo),固定點(diǎn)定義：在標(biāo)準(zhǔn)壓力 p 下，水的凝固點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)為100度，且在這兩點(diǎn)之間劃分為100個等分，每一等分代表1度，稱為1

2、攝氏度，單位符號為，攝氏溫度的符號用t表示。,攝氏溫標(biāo)所用的測溫儀器為水銀-玻璃溫度計。以水銀作為測溫物質(zhì)，利用水銀的膨脹系數(shù)與溫度成線性關(guān)系設(shè)計而成的。,攝氏溫標(biāo)計算溫度數(shù)值的內(nèi)插公式為：,（x為測溫物質(zhì)的某種性質(zhì)，如體積v）,（）、熱力學(xué)溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)也稱開爾文溫標(biāo)，是一種理想的絕對的溫標(biāo)，單位為K，用熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度，用T表示。 熱力學(xué)溫標(biāo)用單一固定點(diǎn)定義，1954年第十次國際計量大會決定，以水的三相點(diǎn)為基本固定點(diǎn)定義熱力學(xué)溫標(biāo)，并指定它的溫度準(zhǔn)確為273.16K，確立了SI單位制中的熱力學(xué)溫標(biāo)體系。,國際計量局在公布熱力學(xué)溫度單位的定義時，還對攝氏度單位作了以下的說

3、明：,除開爾文表示的熱力學(xué)溫度（符號T）以外，也使用由式t=T-T0所定義的攝氏溫度（符號t）。按定義，式中T0 =273.15K（水的凝固點(diǎn)的熱力學(xué)溫度），即:T/K=273.15+t/。,開爾文溫度與攝氏溫度的分度值是相同的，因此溫度差可用K表示也可用表示。即：T=T2-T1=t2-t1=t,2、溫度計,溫度計按測溫的物理特性可分為：接觸式溫度計與非接觸式溫度計；按用途又可分為：溫度測量與溫差測量兩類。,接觸式溫度計是根據(jù)熱平衡原理設(shè)計的，是利用物質(zhì)的體積、電阻、熱電勢等物理性質(zhì)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系制成的。測溫時須將溫度計觸及被測體系，使其與體系處于熱平衡，兩者的溫度相等。這樣由測溫物質(zhì)的

4、特定物理參數(shù)就可換算出體系的溫度值，也可將物理參數(shù)值直接轉(zhuǎn)換成溫度值來表示。,利用電磁輻射的波長分布或強(qiáng)度變化與溫度間的函數(shù)關(guān)系制成的溫度計是非接觸型的。 這一類溫度計的特點(diǎn)是：不干擾被測體系，沒有滯后現(xiàn)象，但測溫精度較差。,（1）、水銀溫度計,構(gòu)造：以水銀作為測溫物質(zhì)，將其裝在一支下端帶有玻璃球的均勻毛細(xì)管中，上端抽成真空或充以某種惰性氣體。溫度變化引起水銀體積改變，毛細(xì)管中的液柱面將隨之上升或下降。由于玻璃的膨脹系數(shù)很小，而毛細(xì)管又是均勻的，故水銀的體積變化可用長度改變量表示，在毛細(xì)管上直接標(biāo)出溫度值來。,水銀溫度計是常用的測溫工具，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，精確度高，使用方便等，缺點(diǎn)是

5、易損壞且無法修理，其次是其讀數(shù)易受許多因素的影響而引起誤差。,分類,常用的刻線以1為間隔，量程范圍有：0100, 0250, 0360等。,由多支溫度計配套而成，刻度以0.1為間隔，每一支量程為50或更小些,交差組成量程范圍為 -10+200或 -10+400等。,按刻度方法和量程范圍不同，可將水銀溫度計分為以下幾種：,高溫水銀溫度計，用特硬玻璃做管壁，其中充以氮或氬，最高可測至600;如以石英制成的，則可測至750。,貝克曼溫度計。它為溫差測量溫度計，最小刻度是0.01，可以估讀到0.002，量程僅為56。但其使用溫度可根據(jù)需要在-5至+120 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。,作為量熱計或精密控溫設(shè)備的測溫附

6、件，有刻度間隔為0.01或0.02的精密溫度計 。,精密數(shù)字溫度溫差儀 測量范圍： * 溫度：-50150(可擴(kuò)展至200) * 溫差：|10|（基溫范圍同溫度范圍） * 分辨率： 溫度：0.1或0.01 溫差：0.001 * 定時顯示時間范圍：099s,校正,零點(diǎn)校正（冰點(diǎn)校正）：由于水銀溫度計下端玻璃球的體積可能會有所改變，導(dǎo)致溫度讀數(shù)與真實值不符，因此必須校正零點(diǎn)。校正方法可以是把溫度計與標(biāo)準(zhǔn)溫度計進(jìn)行比較，也可用純物質(zhì)的相變點(diǎn)標(biāo)定校正，冰水體系是最常用的一種。,大部分水銀溫度計是“全浸式”的，使用時應(yīng)將其完全置于被測體系中，使兩者完全達(dá)到熱平衡。但實際使用時往往做不到這一點(diǎn)，所以在較精

7、密的測量中需作校正。,校正值按下式計算：,露莖校正：全浸式水銀溫度計如有部分露在被測體系之外，則讀數(shù)準(zhǔn)確性將受兩方面的影響：第一是露出部分的水銀和玻璃的溫度與浸入部分不同，且受環(huán)境溫度的影響；第二是露出部分長短不同受到的影響也不同。為了保證示值的準(zhǔn)確，必須對露出部分引起的誤差進(jìn)行校正。 稱為露莖校正。校正方法如圖所示：,算出 （注意正、負(fù)值）后，加上t觀即為校正后的數(shù)值。 t真實= t觀+,（其中，系數(shù) 1.610-4是水銀對玻璃的相對膨脹系數(shù)（-1）；h為露出被測體系之外的水銀柱高度，稱露莖高度，以溫度差值（）表示；t觀為測量溫度計上的讀數(shù)； t環(huán)為環(huán)境溫度，可用一支輔助溫度計讀出，其水銀球

8、應(yīng)置于測量溫度計露莖高度的中部） 。,其它因素的校正：使用精密溫度計時，讀數(shù)前須輕輕敲擊水銀面附近的玻壁以防止水銀的粘附。其次，應(yīng)等溫度計和被測體系真正建立熱平衡，水銀柱面不再變動才能讀數(shù)。另外，變溫體系的溫度測量往往會造成滯后誤差，或稱遲緩誤差，必須加以校正。此外，還應(yīng)避免太陽光、熱輻射、高頻場等的干擾。,（2）、熱電偶溫度計,熱電偶溫度計是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測量儀。原理：將兩種金屬導(dǎo)線首尾相接構(gòu)成一閉合回路，如下圖所示：,如果兩個接點(diǎn)的溫度不同，就會產(chǎn)生一個電勢差，稱為溫差電勢。溫差電勢E與兩個接點(diǎn)的溫度差T之間存在函數(shù)關(guān)系。如果其中一個接點(diǎn)的溫度恒定不變，則E只與另一個接點(diǎn)的溫度有關(guān)，即

9、：E=f(T)。,通常是將一端置于標(biāo)準(zhǔn)壓力下的冰水共存體系（冷端），則只要知道另一端（熱端）溫度與溫差電勢的依賴關(guān)系，測得E后即可求出熱端溫度，這就是熱電偶溫度計測溫的原理。這一對金屬導(dǎo)線的組合就稱為熱電偶溫度計，簡稱熱電偶。為了測定溫差電勢，要使導(dǎo)線與測量儀表（如毫伏表）連成回路。,分類：,鉑鉑銠熱電偶,通常由直徑為0.5mm的純鉑絲和鉑銠（鉑10，銠90）絲制成，可在1300以內(nèi)長期使用，短期可測1600，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性均很好，可用于精密測溫和作為基準(zhǔn)熱電偶。,由鎳鉻（鎳90 ，鉻10 ）和鎳硅（鎳95，硅、鋁、錳5 ）絲制成，可在氧化性和中性介質(zhì)中900以內(nèi)長期使用，短期可測1200，具

10、有良好的復(fù)制性、溫差電勢大、線性好、價格便宜，測溫精度雖較低，但能滿足一般要求，故是最常用的一種熱電偶。,鎳鉻鎳硅（鋁）熱電偶,鎳鉻考銅熱電偶,由鎳鉻（鎳90 ，鉻10 ）和考銅（銅56，鎳44 ）絲制成，可在還原性和中性介質(zhì)中600以內(nèi)長期使用，短期可測800。,銅康銅熱電偶,由銅和康銅（銅60，鎳40 ）絲制成。特點(diǎn)是溫差電勢大、價錢便宜、實驗室中易于制作，但其再現(xiàn)性不佳，只能在低于350使用。,優(yōu)點(diǎn)：熱電偶具有構(gòu)造簡單、適用溫度范圍廣、使用方便、承受熱、機(jī)械沖擊能力強(qiáng)以及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，常用于高溫區(qū)域、振動沖擊大等惡劣環(huán)境以及適合于微小結(jié)構(gòu)測溫場合。,（3）、電阻溫度計,利用測溫材料（

11、金屬或半導(dǎo)體）的電阻隨溫度變化的特性制成的溫度計稱為電阻溫度計。,在各種純金屬中，鉑、銅和鎳是最合適的材料。其中，鉑易于提純，在氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，對溫度變化響應(yīng)極快，而且具有良好的復(fù)現(xiàn)性，所以，將鉑電阻溫度計作為13.81K至903.89K(-259.34至630.74)溫度范圍內(nèi)，體現(xiàn)國際實用溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計。,電阻溫度計的低溫特性比熱電偶好，通常用于低溫范圍的溫度測量。,二、壓力的測量,壓強(qiáng) ，指的是均勻垂直作用于單位面積上的力。,在國際單位制（SI）中，壓強(qiáng)的單位為帕斯卡，用Pa表示。,除了使用Pa單位外，原來的許多壓力單位，如：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、巴等單位現(xiàn)在仍然在使用。,常用壓力

12、單位換算表,、測壓儀表, 液柱式壓力計,液柱式壓力計是物理化學(xué)實驗中用得最多的壓力計。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡單、使用方便，能測量微小壓力差，測量準(zhǔn)確度比較高，且制作容易，價格低廉。缺點(diǎn)：測量范圍不大，示值與工作液體密度有關(guān)。它的結(jié)構(gòu)不牢固，耐壓程度較差。,物化實驗中，涉及到高壓(鋼瓶)，常壓，以及真空系統(tǒng)(負(fù)壓)。對于不同壓力范圍，測量方法也不同，所用儀器的精確度也不同。,結(jié)構(gòu)：如右圖所示，液柱式U型壓力計由兩端開口的垂直U型玻璃管及垂直放置的刻度標(biāo)尺所構(gòu)成。管內(nèi)下部盛有適量工作液體作為指示液，U型管的兩支管分別連接于兩個測壓口。,測壓原理：因為氣體的密度遠(yuǎn)小于工作液的密度，因此，由液面高度差h及工作液

13、的密度、重力加速度g可以得到下式：p1p2hg或,U型壓力計可用來測量： 兩氣體壓力差； 氣體的表壓(p1為測量氣壓，p2為大氣壓)； 氣體的絕對壓力(令p2為真空，p1所示即為絕對壓力)； 氣體的真空度(p1通大氣，p2為負(fù)壓，可測其真空度)。,測定大氣壓力的儀器稱為氣壓計。實驗室常用的是福廷式氣壓計。它是一種真空壓力計，以汞柱所產(chǎn)生的靜壓力來平衡大氣壓力P，汞柱的高度就可以度量大氣壓力的大小。并規(guī)定在海平面、緯度450及溫度為0時的大氣壓為760mmHg或101325Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。,氣壓計,構(gòu)造,氣壓計的結(jié)構(gòu)如右圖所示：,外部是一黃銅管，內(nèi)部是一根上端封閉的裝有水銀的長玻璃管，管中汞面

14、的上部為真空，管下端插在水銀槽內(nèi)。水銀槽底部是一羚羊皮袋，下端由螺旋支持，轉(zhuǎn)動此螺旋可調(diào)節(jié)槽內(nèi)水銀面的高低。水銀槽的頂蓋上有一倒置的象牙針，其針尖是黃銅標(biāo)尺刻度的零點(diǎn)。此黃銅標(biāo)尺上附有游標(biāo)尺，轉(zhuǎn)動游標(biāo)調(diào)節(jié)螺旋，可使游標(biāo)尺上下游動。,氣壓計的使用（操作步驟）,鉛直調(diào)節(jié) 通過調(diào)節(jié)氣壓計下端的三個鉛直調(diào)節(jié)固定旋鈕。先擰松這三個旋鈕，然后令氣壓計鉛直懸掛，最后再擰緊這三個旋鈕，使氣壓計固定，保持鉛直狀態(tài)。,調(diào)節(jié)汞槽內(nèi)汞面高度 慢慢旋轉(zhuǎn)汞面調(diào)節(jié)旋鈕，使汞槽內(nèi)的汞面升高，利用汞槽后面白磁板的反光，看汞面和象牙針間的空隙，直到汞面恰好與象牙針尖相接觸，再輕輕扣動銅管使玻璃管中汞的彎面正常，這時，象牙針與汞面

15、的接觸應(yīng)沒有什么變動。,調(diào)節(jié)游標(biāo)尺 轉(zhuǎn)動游標(biāo)尺調(diào)節(jié)螺旋，使游標(biāo)尺的下沿邊與管中汞柱的凸面相切。應(yīng)注意：這時觀察者的眼睛和游標(biāo)尺前后的兩個下沿邊應(yīng)在同一水平面。,讀數(shù) 先讀游標(biāo)尺的零線在標(biāo)尺上所指的刻度，此為大氣壓力的整數(shù)部分，如讀出1011，再從游標(biāo)尺上找出一根恰與標(biāo)尺某一刻度相吻合的刻度線，此游標(biāo)刻度線上的數(shù)值即為大氣壓力的小數(shù)部分，如游標(biāo)刻度線的讀數(shù)為3，則大氣壓力的讀出值為1011.3mbar(101.13KPa)。,整理工作 向下轉(zhuǎn)動汞槽液面調(diào)節(jié)螺旋，使汞面離開象牙針，并記下氣壓計上附屬溫度計的溫度讀數(shù)（室溫），并從所附的儀器校正卡片上讀取該氣壓計的儀器誤差，用于氣壓計讀數(shù)的校正。,校

16、正：水銀氣壓計的刻度是以溫度為0，緯度為45的海平面高度為標(biāo)準(zhǔn)的。若不符合上述規(guī)定時，從氣壓計上直接讀出的數(shù)值，除進(jìn)行儀器誤差校正外，在精密的工作中還必須進(jìn)行溫度、緯度及海拔高度的校正。,經(jīng)過各項校正之后的真實大氣壓力數(shù)值為： P=Pt+ k + t + L + H,缺點(diǎn)：搬運(yùn)、安裝和測試比較麻煩，一般安裝完后就不能隨便地搬動，且測試步驟繁瑣，讀數(shù)的誤差影響因素多，讀出的數(shù)值還要進(jìn)行有關(guān)溫度、緯度和海拔高度等的校正，給數(shù)據(jù)處理帶來麻煩，有時由于無法得知所處位置的緯度和海拔高度而不能進(jìn)行數(shù)據(jù)校正從而使實驗結(jié)果誤差增大。,精密數(shù)字氣壓溫度計,功能：提供環(huán)境氣壓與溫度數(shù)據(jù)，掛壁式，萬年歷功能。 技術(shù)

17、指標(biāo)： * 氣壓測量：101.330（KPa） 分辨率：0.01Kpa * 溫度測量：20100分辨率：0.1,數(shù)字壓力計,實驗室經(jīng)常用U型管汞壓力計測量從真空到外界大氣壓這一區(qū)間的壓力。雖然這種方法原理簡單、形象直觀，但由于汞的毒害以及不便于遠(yuǎn)距離觀察和自動記錄，因此這種壓力計逐漸被數(shù)字式電子壓力計所取代。數(shù)字式電子壓力計具有體積小，精確度高，操作簡單，便于遠(yuǎn)距離觀測和能夠?qū)崿F(xiàn)自動記錄等優(yōu)點(diǎn)，目前已得到廣泛的應(yīng)用。,使用方法：, 接通電源，按下電源開關(guān)，預(yù)熱五分鐘即可正常工作。, “單位”鍵：當(dāng)接通電源，初始狀態(tài)為kPa指示燈亮，顯示以kPa為計量單位的零壓力值；按一下“單位”鍵，mmHg指

18、示燈亮，則顯示mmHg為計量單位的零壓力值。通常情況下選擇kPa為壓力單位。, 當(dāng)系統(tǒng)與外界處于等壓狀態(tài)下，按一下“采零”鍵，使儀表自動扣除傳感器零壓力值（零點(diǎn)漂移），顯示為“00.00”，此數(shù)值表示此時系統(tǒng)和外界的壓力差為零。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力降低時，則顯示負(fù)壓力數(shù)值，將外界壓力加上該負(fù)壓力數(shù)值即為系統(tǒng)內(nèi)的實際壓力。 本儀器采用CPU進(jìn)行非線性補(bǔ)嘗，但電網(wǎng)干擾脈沖可能會出現(xiàn)程序錯誤造成死機(jī)，此時應(yīng)按下“復(fù)位”鍵，程序從頭開始。注意：一般情況下，不會出現(xiàn)此錯誤，故平時不需按此鍵。 當(dāng)試驗結(jié)束后，將被測系統(tǒng)泄壓為“00.00”，電源開關(guān)置于關(guān)閉位置。,、真空技術(shù),在某些物理化學(xué)實驗中，當(dāng)涉及到氣體的物

19、理化學(xué)性質(zhì)、氣相反應(yīng)動力學(xué)、氣固吸附以及表面化學(xué)研究時，為了排除空氣和其它氣體的干擾，通常都需要在一個密閉的容器內(nèi)進(jìn)行，必須首先將干擾氣體抽去，創(chuàng)造一個具有某種真空度的實驗環(huán)境，然后將被研究的氣體通入，才能進(jìn)行有關(guān)研究。因此真空的獲得和測量是物理化學(xué)實驗技術(shù)的一個重要方面，學(xué)會真空體系的設(shè)計、安裝和操作是一項重要的基本技能。,在物理化學(xué)實驗中通常按真空的獲得和測量方法的不同，將真空劃分為以下幾個區(qū)域： 粗真空 105103 Pa； 低真空 10310-1 Pa； 高真空 10-110-6 Pa； 超高真空 10-610-10 Pa； 極高真空 10-10 Pa；,真空是指低于標(biāo)準(zhǔn)壓力的氣態(tài)空間

20、，真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度，常以壓強(qiáng)值表示，習(xí)慣上稱作真空度?，F(xiàn)行的國際單位制(SI)中，真空度的單位和壓強(qiáng)的單位均統(tǒng)一為帕，符號為Pa。,真空的獲得,為了獲得真空，就必須設(shè)法將氣體分子從容器中抽出，凡是能從容器中抽出氣體，使氣體壓力降低的裝置，都可稱為真空泵。主要有水泵、機(jī)械泵和擴(kuò)散泵。,實驗室常用的真空泵為旋片式機(jī)械泵，一般只能產(chǎn)生1.333 0.1333 Pa的真空，其極限真空為0.13331.333 10-2Pa 。其構(gòu)造如右圖所示。,原理：氣體從真空體系吸入泵的入口，隨偏心輪旋轉(zhuǎn)的旋片使氣體壓縮，而從出口排出，轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)使這一過程不斷重復(fù)，因而達(dá)到抽氣的目的。,旋片式機(jī)械泵的效率

21、主要取決于旋片與定子之間的嚴(yán)密程度。因此把它的整個機(jī)件都浸在真空油中，這種油的蒸氣壓很低，既可起潤滑作用，又可起封閉微小的漏氣和冷卻機(jī)件的作用。,注意事項：,機(jī)械泵不能直接抽含可凝性氣體的蒸氣、揮發(fā)性液體等。因為這些氣體進(jìn)入泵后會破壞泵油的品質(zhì)，降低了油在泵內(nèi)的密封和潤滑作用，甚至?xí)?dǎo)致泵的機(jī)件生銹。因而必須在可凝氣體進(jìn)泵前先通過純化裝置。例如，用無水氯化鈣、五氧化二磷、分子篩等吸收水分；用石蠟吸收有機(jī)蒸氣；用活性炭或硅膠吸收其它蒸氣等。,機(jī)械泵不能用來抽含腐蝕性成分的氣體。如含氯化氫、氯氣、二氧化氮等的氣體。因這類氣體能迅速侵蝕泵中精密加工的機(jī)件表面，使泵漏氣，不能達(dá)到所要求的真空度。遇到這種情況時，應(yīng)當(dāng)使氣體在進(jìn)泵前先通過裝有氫氧化鈉固體的吸收瓶，以除去有害氣體。,機(jī)