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温度和压力的测量第1页，共44页，编辑于2022年，星期日1、温标温标是温度量值的表示方法，确立一种温标应包括：确定固定点 选择测温仪器 分度方法的规定。目前，物理化学中常用的温标有两种：热力学温标和摄氏温标。第2页，共44页，编辑于2022年，星期日（1）、摄氏温标固定点定义：在标准压力p下，水的凝固点为0度，沸点为100度，且在这两点之间划分为100个等分，每一等分代表1度，称为1摄氏度，单位符号为，摄氏温度的符号用t表示。摄氏温标所用的测温仪器为水银-玻璃温度计。以水银作为测温物质，利用水银的膨胀系数与温度成线性关系设计而成的。第3页，共44页，编辑于2022年，星期日摄氏温标计算温度数值的内插公式为：（x为测温物质的某种性质，如体积v）第4页，共44页，编辑于2022年，星期日（）、热力学温标热力学温标也称开尔文温标，是一种理想的绝对的温标，单位为K，用热力学温标确定的温度称为热力学温度，用T表示。热力学温标用单一固定点定义，1954年第十次国际计量大会决定，以水的三相点为基本固定点定义热力学温标，并指定它的温度准确为273.16K，确立了SI单位制中的热力学温标体系。第5页，共44页，编辑于2022年，星期日国际计量局在公布热力学温度单位的定义时，还对摄氏度单位作了以下的说明：除开尔文表示的热力学温度（符号T）以外，也使用由式t=T-T0所定义的摄氏温度（符号t）。按定义，式中T0=273.15K（水的凝固点的热力学温度），即:T/K=273.15+t/。开尔文温度与摄氏温度的分度值是相同的，因此温度差可用K表示也可用表示。即：T=T2-T1=t2-t1=t第6页，共44页，编辑于2022年，星期日2、温度计温度计按测温的物理特性可分为：接触式温度计与非接触式温度计；按用途又可分为：温度测量与温差测量两类。接触式温度计是根据热平衡原理设计的，是利用物质的体积、电阻、热电势等物理性质与温度之间的函数关系制成的。测温时须将温度计触及被测体系，使其与体系处于热平衡，两者的温度相等。这样由测温物质的特定物理参数就可换算出体系的温度值，也可将物理参数值直接转换成温度值来表示。第7页，共44页，编辑于2022年，星期日利用电磁辐射的波长分布或强度变化与温度间的函数关系制成的温度计是非接触型的。这一类温度计的特点是：不干扰被测体系，没有滞后现象，但测温精度较差。第8页，共44页，编辑于2022年，星期日（1）、水银温度计构造：以水银作为测温物质，将其装在一支下端带有玻璃球的均匀毛细管中，上端抽成真空或充以某种惰性气体。温度变化引起水银体积改变，毛细管中的液柱面将随之上升或下降。由于玻璃的膨胀系数很小，而毛细管又是均匀的，故水银的体积变化可用长度改变量表示，在毛细管上直接标出温度值来。水银温度计是常用的测温工具，其优点是结构简单，价格便宜，精确度高，使用方便等，缺点是易损坏且无法修理，其次是其读数易受许多因素的影响而引起误差。第9页，共44页，编辑于2022年，星期日分类常用的刻线以1为间隔，量程范围有：0100,0250,0360等。由多支温度计配套而成，刻度以0.1为间隔，每一支量程为50或更小些,交差组成量程范围为-10+200或-10+400等。按刻度方法和量程范围不同，可将水银温度计分为以下几种：第10页，共44页，编辑于2022年，星期日高温水银温度计，用特硬玻璃做管壁，其中充以氮或氩，最高可测至600;如以石英制成的，则可测至750。贝克曼温度计。它为温差测量温度计，最小刻度是0.01，可以估读到0.002，量程仅为56。但其使用温度可根据需要在-5至+120范围内调节。作为量热计或精密控温设备的测温附件，有刻度间隔为0.01或0.02的精密温度计。第11页，共44页，编辑于2022年，星期日精密数字温度温差仪精密数字温度温差仪测量范围：*温度：-50150(可扩展至200)*温差：|10|（基温范围同温度范围）*分辨率：温度：0.1或0.01温差：0.001*定时显示时间范围：099s第12页，共44页，编辑于2022年，星期日校正零点校正（冰点校正）：由于水银温度计下端玻璃球的体积可能会有所改变，导致温度读数与真实值不符，因此必须校正零点。校正方法可以是把温度计与标准温度计进行比较，也可用纯物质的相变点标定校正，冰水体系是最常用的一种。大部分水银温度计是“全浸式”的，使用时应将其完全置于被测体系中，使两者完全达到热平衡。但实际使用时往往做不到这一点，所以在较精密的测量中需作校正。第13页，共44页，编辑于2022年，星期日校正值按下式计算：露茎校正：全浸式水银温度计如有部分露在被测体系之外，则读数准确性将受两方面的影响：第一是露出部分的水银和玻璃的温度与浸入部分不同，且受环境温度的影响；第二是露出部分长短不同受到的影响也不同。为了保证示值的准确，必须对露出部分引起的误差进行校正。称为露茎校正。校正方法如图所示：第14页，共44页，编辑于2022年，星期日算出（注意正、负值）后，加上t观即为校正后的数值。t真实=t观+（其中，系数1.610-4是水银对玻璃的相对膨胀系数（-1）；h为露出被测体系之外的水银柱高度，称露茎高度，以温度差值（）表示；t观为测量温度计上的读数；t环为环境温度，可用一支辅助温度计读出，其水银球应置于测量温度计露茎高度的中部）。第15页，共44页，编辑于2022年，星期日其它因素的校正：使用精密温度计时，读数前须轻轻敲击水银面附近的玻壁以防止水银的粘附。其次，应等温度计和被测体系真正建立热平衡，水银柱面不再变动才能读数。另外，变温体系的温度测量往往会造成滞后误差，或称迟缓误差，必须加以校正。此外，还应避免太阳光、热辐射、高频场等的干扰。第16页，共44页，编辑于2022年，星期日（2）、热电偶温度计热电偶温度计是以热电效应为基础的测量仪。原理：将两种金属导线首尾相接构成一闭合回路，如下图所示：如果两个接点的温度不同，就会产生一个电势差，称为温差电势。温差电势E与两个接点的温度差T之间存在函数关系。如果其中一个接点的温度恒定不变，则E只与另一个接点的温度有关，即：E=f(T)。第17页，共44页，编辑于2022年，星期日通常是将一端置于标准压力下的冰水共存体系（冷端），则只要知道另一端（热端）温度与温差电势的依赖关系，测得E后即可求出热端温度，这就是热电偶温度计测温的原理。这一对金属导线的组合就称为热电偶温度计，简称热电偶。为了测定温差电势，要使导线与测量仪表（如毫伏表）连成回路。第18页，共44页，编辑于2022年，星期日分类：铂铂铑热电偶通常由直径为0.5mm的纯铂丝和铂铑（铂10，铑90）丝制成，可在1300以内长期使用，短期可测1600，稳定性和重现性均很好，可用于精密测温和作为基准热电偶。由镍铬（镍90，铬10）和镍硅（镍95，硅、铝、锰5）丝制成，可在氧化性和中性介质中900以内长期使用，短期可测1200，具有良好的复制性、温差电势大、线性好、价格便宜，测温精度虽较低，但能满足一般要求，故是最常用的一种热电偶。镍铬镍硅（铝）热电偶第19页，共44页，编辑于2022年，星期日镍铬考铜热电偶由镍铬（镍90，铬10）和考铜（铜56，镍44）丝制成，可在还原性和中性介质中600以内长期使用，短期可测800。铜康铜热电偶由铜和康铜（铜60，镍40）丝制成。特点是温差电势大、价钱便宜、实验室中易于制作，但其再现性不佳，只能在低于350使用。优点：热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合。第20页，共44页，编辑于2022年，星期日（3）、电阻温度计利用测温材料（金属或半导体）的电阻随温度变化的特性制成的温度计称为电阻温度计。在各种纯金属中，铂、铜和镍是最合适的材料。其中，铂易于提纯，在氧化性介质中很稳定，对温度变化响应极快，而且具有良好的复现性，所以，将铂电阻温度计作为13.81K至903.89K(-259.34至630.74)温度范围内，体现国际实用温标的标准温度计。电阻温度计的低温特性比热电偶好，通常用于低温范围的温度测量。第21页，共44页，编辑于2022年，星期日二、压力的测量压强，指的是均匀垂直作用于单位面积上的力。在国际单位制（SI）中，压强的单位为帕斯卡，用Pa表示。除了使用Pa单位外，原来的许多压力单位，如：标准大气压、毫米汞柱、巴等单位现在仍然在使用。第22页，共44页，编辑于2022年，星期日常用压力单位换算表压力单位Pakgcm-2atmbarmmHgPa11.01971610-20.986923610-5110-57.500610-3kgcm-29.80066510-40.9678410.980665753.559atm1.013251051.033231.01325760.0bar11051.0197166.986923750.062mmHg133.32241.3595110-31.315789510-31.3332210-3第23页，共44页，编辑于2022年，星期日、测压仪表液柱式压力计液柱式压力计是物理化学实验中用得最多的压力计。优点：构造简单、使用方便，能测量微小压力差，测量准确度比较高，且制作容易，价格低廉。缺点：测量范围不大，示值与工作液体密度有关。它的结构不牢固，耐压程度较差。物化实验中，涉及到高压(钢瓶)，常压，以及真空系统(负压)。对于不同压力范围，测量方法也不同，所用仪器的精确度也不同。第24页，共44页，编辑于2022年，星期日结构：如右图所示，液柱式U型压力计由两端开口的垂直U型玻璃管及垂直放置的刻度标尺所构成。管内下部盛有适量工作液体作为指示液，U型管的两支管分别连接于两个测压口。测压原理：因为气体的密度远小于工作液的密度，因此，由液面高度差h及工作液的密度、重力加速度g可以得到下式：p1p2hg或 第25页，共44页，编辑于2022年，星期日U型压力计可用来测量：两气体压力差；气体的表压(p1为测量气压，p2为大气压)；气体的绝对压力(令p2为真空，p1所示即为绝对压力)；气体的真空度(p1通大气，p2为负压，可测其真空度)。第26页，共44页，编辑于2022年，星期日测定大气压力的仪器称为气压计。实验室常用的是福廷式气压计。它是一种真空压力计，以汞柱所产生的静压力来平衡大气压力P，汞柱的高度就可以度量大气压力的大小。并规定在海平面、纬度450及温度为0时的大气压为760mmHg或101325Pa为标准大气压。气压计第27页，共44页，编辑于2022年，星期日构造气压计的结构如右图所示：外部是一黄铜管，内部是一根上端封闭的装有水银的长玻璃管，管中汞面的上部为真空，管下端插在水银槽内。水银槽底部是一羚羊皮袋，下端由螺旋支持，转动此螺旋可调节槽内水银面的高低。水银槽的顶盖上有一倒置的象牙针，其针尖是黄铜标尺刻度的零点。此黄铜标尺上附有游标尺，转动游标调节螺旋，可使游标尺上下游动。第28页，共44页，编辑于2022年，星期日气压计的使用（操作步骤）铅直调节通过调节气压计下端的三个铅直调节固定旋钮。先拧松这三个旋钮，然后令气压计铅直悬挂，最后再拧紧这三个旋钮，使气压计固定，保持铅直状态。调节汞槽内汞面高度慢慢旋转汞面调节旋钮，使汞槽内的汞面升高，利用汞槽后面白磁板的反光，看汞面和象牙针间的空隙，直到汞面恰好与象牙针尖相接触，再轻轻扣动铜管使玻璃管中汞的弯面正常，这时，象牙针与汞面的接触应没有什么变动。第29页，共44页，编辑于2022年，星期日调节游标尺转动游标尺调节螺旋，使游标尺的下沿边与管中汞柱的凸面相切。应注意：这时观察者的眼睛和游标尺前后的两个下沿边应在同一水平面。读数先读游标尺的零线在标尺上所指的刻度，此为大气压力的整数部分，如读出1011，再从游标尺上找出一根恰与标尺某一刻度相吻合的刻度线，此游标刻度线上的数值即为大气压力的小数部分，如游标刻度线的读数为3，则大气压力的读出值为1011.3mbar(101.13KPa)。101第30页，共44页，编辑于2022年，星期日整理工作向下转动汞槽液面调节螺旋，使汞面离开象牙针，并记下气压计上附属温度计的温度读数（室温），并从所附的仪器校正卡片上读取该气压计的仪器误差，用于气压计读数的校正。校正：水银气压计的刻度是以温度为0，纬度为45的海平面高度为标准的。若不符合上述规定时，从气压计上直接读出的数值，除进行仪器误差校正外，在精密的工作中还必须进行温度、纬度及海拔高度的校正。经过各项校正之后的真实大气压力数值为：P=Pt+k+t+L+H 第31页，共44页，编辑于2022年，星期日缺点：搬运、安装和测试比较麻烦，一般安装完后就不能随便地搬动，且测试步骤繁琐，读数的误差影响因素多，读出的数值还要进行有关温度、纬度和海拔高度等的校正，给数据处理带来麻烦，有时由于无法得知所处位置的纬度和海拔高度而不能进行数据校正从而使实验结果误差增大。精密数字气压温度计功能：提供环境气压与温度数据，挂壁式，万年历功能。技术指标：技术指标：*气压测量：101.330（KPa）分辨率：0.01Kpa*温度测量：20100分辨率：0.1 第32页，共44页，编辑于2022年，星期日数字压力计实验室经常用U型管汞压力计测量从真空到外界大气压这一区间的压力。虽然这种方法原理简单、形象直观，但由于汞的毒害以及不便于远距离观察和自动记录，因此这种压力计逐渐被数字式电子压力计所取代。数字式电子压力计具有体积小，精确度高，操作简单，便于远距离观测和能够实现自动记录等优点，目前已得到广泛的应用。第33页，共44页，编辑于2022年，星期日使用方法：接通电源，按下电源开关，预热五分钟即可正常工作。“单位”键：当接通电源，初始状态为kPa指示灯亮，显示以kPa为计量单位的零压力值；按一下“单位”键，mmHg指示灯亮，则显示mmHg为计量单位的零压力值。通常情况下选择kPa为压力单位。第34页，共44页，编辑于2022年，星期日 当系统与外界处于等压状态下，按一下“采零”键，使仪表自动扣除传感器零压力值（零点漂移），显示为“00.00”，此数值表示此时系统和外界的压力差为零。当系统内压力降低时，则显示负压力数值，将外界压力加上该负压力数值即为系统内的实际压力。本仪器采用CPU进行非线性补尝，但电网干扰脉冲可能会出现程序错误造成死机，此时应按下“复位”键，程序从头开始。注意：一般情况下，不会出现此错误，故平时不需按此键。当试验结束后，将被测系统泄压为“00.00”，电源开关置于关闭位置。第35页，共44页，编辑于2022年，星期日、真空技术在某些物理化学实验中，当涉及到气体的物理化学性质、气相反应动力学、气固吸附以及表面化学研究时，为了排除空气和其它气体的干扰，通常都需要在一个密闭的容器内进行，必须首先将干扰气体抽去，创造一个具有某种真空度的实验环境，然后将被研究的气体通入，才能进行有关研究。因此真空的获得和测量是物理化学实验技术的一个重要方面，学会真空体系的设计、安装和操作是一项重要的基本技能。第36页，共44页，编辑于2022年，星期日在物理化学实验中通常按真空的获得和测量方法的不同，将真空划分为以下几个区域：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；极高真空 10-10 Pa；真空是指低于标准压力的气态空间，真空状态下气体的稀薄程度，常以压强值表示，习惯上称作真空度。现行的国际单位制(SI)中，真空度的单位和压强的单位均统一为帕，符号为Pa。第37页，共44页，编辑于2022年，星期日真空的获得为了获得真空，就必须设法将气体分子从容器中抽出，凡是能从容器中抽出气体，使气体压力降低的装置，都可称为真空泵。主要有水泵、机械泵和扩散泵。实验室常用的真空泵为旋片式机械泵，一般只能产生1.3330.1333Pa的真空，其极限真空为0.13331.33310-2Pa。其构造如右图所示。原理：气体从真空体系吸入泵的入口，随偏心轮旋转的旋片使气体压缩，而从出口排出，转子的不断旋转使这一过程不断重复，因而达到抽气的目的。第38页，共44页，编辑于2022年，星期日旋片式机械泵的效率主要取决于旋片与定子之间的严密程度。因此把它的整个机件都浸在真空油中，这种油的蒸气压很低，既可起润滑作用，又可起封闭微小的漏气和冷却机件的作用。注意事项：机械泵不能直接抽含可凝性气体的蒸气、挥发性液体等。因为这些气体进入泵后会破坏泵油的品质，降低了油在泵内的密封和润滑作用，甚至会导致泵的机件生锈。因而必须在可凝气体进泵前先通过纯化装置。例如，用无水氯化钙、五氧化二磷、分子筛等吸收水分；用石蜡吸收有机蒸气；用活性炭或硅胶吸收其它蒸气等。第39页，共44页，编辑于2022年，星期日机械泵不能用来抽含腐蚀性成分的气体。如含氯化氢、氯气、二氧化氮等的气体。因这类气体能迅速侵蚀泵中精密加工的机件表面，使泵漏气，不能达到所要求的真空度。遇到这种情况时，应当使气体在进泵前先通过装有氢氧化钠固体的吸收瓶，以除去有害气体。机械泵由电动机带动。使用时应注意马达的电压。若是三相电动机带动的泵，第一次使用时特别要注意三相马达旋转方向是否正确。正常运转时不应有摩擦、金属碰击等异声。运转时电动机温度不能超过5060。第40页，共44页，编辑于2022年，星期日机械泵的进气口前应安装一个三通活塞。停止抽气时应使机械泵与抽空系统隔开而与大气相通，然后再关闭电源。这样既可保持系统的真空度，又避免泵油倒吸。第41页，共44页，编辑于2022年，星期日真空的测量真空的测量实际上就是测量低压下气体的压力，常用的测压仪器有U型水银压力计、真空规和数字式低真空压力测试仪等。粗真空的测量一般用U型水银压力计，对于较高真空度的系统使用真空规。目前实验室中测量粗真空的水银压力计已被数字式低真空测压仪取代，其测定的是实验系统与大气压之间压差，显示的数字即为实验系统与大气压之间的压差值。第42页，共44页，编辑于2022年，星期日真空体系的设计和操作设计：真空体系通常由真空产生、真空测量和真空使用三部分，这三部分之间通过一根或多根导管、活塞等连接起来。设计真空体系时应根据所需要的真空度和抽气时间来综合考虑选配泵，确定管路和选择真空材料。第43页，共44页，编辑于2022年，星期日真空体系所使用的管道材料有玻璃和金属，玻璃真空体系吹制比较方便，使用时可观察内部情况，便于在低真空条件下用高频火花检漏器检漏，但其真空度较低，一般可达10-110-3 Pa。不锈钢材料制成的金属体系的真空体系可达到10-10 Pa的真空度。操作注意事项：在启开或关闭活塞时，应双手进行操作，一手握活塞套，一手缓缓旋转内塞，务使开、关活塞时不产生力矩，以免玻璃体系因受力而扭裂。对真空体系抽气或充气时，应通过活塞的调节，使抽气或充气缓缓进行，切忌体系压力过剧的变化，因为体系压力突变会导致U形水银压力计内的水银冲出或吸入体系。第44页，共44页，编辑于2022年，星期日