B-第二章 温度测量
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
○
1理论基础 设计与制作温度计的理论基础：
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。
○
2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()G G T ，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。
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
○
1选择温度固定点； ○
2选择测温物质，确定它随温度变换的属性及测温属性； ○
3规定测温属性随温度变化的规律。 （3）常用温标
○
1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（0O C ）、水的沸点作为上限100O C ，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--100O C 之间均分100等分，每一等分为1摄氏度，单位符号为O C 。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的最低温度（水+纯水+氯液或冰+盐）为0 O F ，实际为-17.8O C ，以它的体温口或腋下为100O F ，实际为37.8O C ，创建了首个温标。
后来规定在1.01325*105Pa 下水的冰点为32 O F 。水的沸点为212 O F ，中间划分为180等分，每一等分为华氏度，单位符号为O F 。
华氏温标已淘汰，不再使用。华氏和摄氏的关系为：
5()(()32)9
o o T C T F =- 可见：-40o C =-40o
F 。
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：
● 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；
● 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。
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。
○
2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-273.15o
C ，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。 ()()273.15o T K T C =+
○
3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；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----1064.18o
C
银点：固液平衡----961.78o C
铝点：固液平衡----660.323o C
锌点：固液平衡----419.527o C
锡点：固液平衡----231.928o C
水三态点：0.010o
C
氩三态点；-189.3442o C
氖三态点：-248.5939o C
氡三态点；-259.3467o C
B ，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：
ITS —27；
ITS —48；
ITS —68；
ITS —90；
○
4ITS —90被我国广泛采用： A ，定义固定点。ITS —90中定义固定点17个，固定点两个温度的关系为： 9090273.15t T =-
90t 摄氏温度，C 。90T 热力学温标，K 。
B ，基准仪器。ITS —90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0.65K ，向上到用单色普朗克辐射定律实际可测得的最高温度：
●
3He 和4He 蒸汽温度计；0.65—5.0K 。（用这种仪器作为温度基准，复现温标） ● 3He 和4He 定容温度计：3.0—24.5561K 。
● 铂电阻温度计：13.8033—1234.93K 。
● 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。