使用溫度測量儀器的基本知識

  一、溫度和溫標

  1.溫度

  溫度是表示物體冷熱程度的物理量，自然界中的許多現象都與溫度有關，在工農業生產和科學實驗中，會遇到大量有關溫度測量和控制的問題。

  溫度概念的建立是以熱平衡為基礎的。例如;將兩個冷熱程度不同的物體相互接觸，它們之間會產生熱量交換，熱量將從熱的物體向冷的物體傳遞，直到兩個物體的冷熱程度一致，即達到熱平衡為止。對處于熱平衡狀態的兩個物體就稱它們的溫度相同，而稱原來的冷物體溫度低，熱物體的溫度高。從微觀上看，溫度標志著物質分子熱運動的劇烈程度，溫度越高，分子熱運動越劇烈。

　在火電廠中，溫度測量對于保證生產過程的安全和經濟性有著十分重要的意義。例如，鍋爐過熱器的溫度非常接近過熱器鋼管的極限耐熱溫度，如果溫度控制不好，會燒壞過熱器;在機組啟、停過程中，需要嚴格控制汽輪機汽缸和鍋爐汽包壁的溫度，如果溫度變化太快，汽缸和汽包會由于熱應力過大而損壞;又如，蒸汽溫度、給水溫度、鍋爐排煙溫度等過高或過低都會使生產效率降低，導致多消耗燃料，而這些都離不開對溫度的測量。

  2.溫標

  用來衡量溫度高低的標尺叫做溫度標尺，簡稱溫標。溫標是用數值表示溫度的一整套規則，它確定了溫度的單位。

　熱力學溫標的出現對溫標的統一具有十分重要的意義。但由于卡諾循環是理想循循環環，卡諾熱機實際上并不存在，因此熱力學溫標是無法實現的。為此，人類一直在研究、尋求一種既準確、又易行的統一的溫標。目前全世界普遍采用的國際溫標就是人類經過長期研究、不斷發展與修正而成的。國際溫標要求具備以下條件: 數值上盡可能接近熱力學溫度，差值應在當前技術所能達到的準確度極限之內;②復現準確度高，各國均能以很高的準確度復現同樣的溫標，確保溫度量值的統一;③用于復現溫標的標準溫度計使用方便、性能穩定。由此可見，滿足上述條件的國際溫標將是熱力學溫標的再現，同時又易于實現，因此是性能理想的溫標。最早的國際溫標是在1927年第七屆國際計量大會上決定采用的，以后隨著科學技術的發展，先后又對國際溫標作了幾次重大修正。作修改的原因主要是溫標的基本內容發生了變化，具體說是內插儀器 (溫度計)、固定點和內插公式有改變。1990年前世界各國(包括我國)均采用1968年國際實用溫標 (代號IPTS-1968)，經多年實踐，逐漸發現了它的一系列缺陷，根據第18屆國際計量大會及第77屆國際計量委員會的決議，建議在1990年起在全世界范圍開始實行新的"1990國際溫標（ITS-1990）。我國也決定從1991年7月1日起實行該溫標。

  溫標有其自身的演變和發展過程。早期的溫標是依據某些物質的有關特性建立的。例如最早的攝氏溫標是建立在利用水銀的熱脹冷縮性質制成的玻璃管水銀溫度計的基礎上的溫標，它規定在標準大氣壓下純水的冰點溫度為0℃，沸點為100℃，兩點間按水銀柱高度等分成100份，每份代表且記。類似這樣的溫標不止一個，它們的共同點是依賴于測溫物質的具體性質，使溫標具有隨意性和局限性。當用同一種溫標確定某一溫度的數值時，隨著測溫物質性質的差別(例如成分稍有變動)，則會得到不同的結果。采用不同的溫標則結果會更加不一致。

  人們需要建立一個不依賴任何物質的具體性質的、客觀的溫標，并把溫標統一起來。熱力學溫標就是這樣的理想溫標，它又稱為絕對溫標。該溫標是建立在熱力學卡諾循環理論基礎上的溫標，其理論基礎是:高溫熱源(T1)與低溫熱源(T2)的溫度之比，等于在這兩個熱源之間運轉的卡諾熱機吸熱量(Q1)與放熱量(Q2)絕對值之比，即 。可見溫度與物質的任何性質均無關系，而只與熱量有關。因此，以此為基礎的溫標就擺脫了對物質性質的依賴，克服了分度的任意性，是一種客觀的溫標。由熱力學溫標規定的溫度稱為熱力學溫度，并以符號 “T” 表示。它定義標準條件下水的三相點 (水蒸氣、水、冰共存點)的溫度值為273.16開爾文，開爾文（簡稱開）是溫度的單位，符號為K，IK相當于水三相點溫度的1/273.16。

  1990國際溫標的主要內容為:

  (1)溫度的表示與單位。1990國際溫標同時定義國際開爾文溫度（符號為T90）和國際攝氏溫度(符號為t90)，它們的單位分別是開爾文(K)和攝氏度（℃）。溫度單位用二者皆可。兩種溫度的數量關系為t90/℃=T90/K-273.15

  (2)1990國際溫標的通則。該溫標的適用溫度為0.65K到根據普朗克輻射定律使用單色輻射方法實際能測得的最高溫度。

　把整個溫度范圍分成若干個溫區、分溫區，在不同的溫區內用不同的內插儀表或關系式定義溫度T90（或t90），使用各自的定義（溫度）固定點及規定的內插方法進行分度。

  (3)1990國際溫標的定義。整個溫度范圍分成四個溫區，它們有各自的定義方法。某些溫區有重疊，重疊區的T90有差異。0.65K到5.0K之間，T90由3He和4He的蒸氣壓力與溫度的關系式來定義(3He和4He為He的同位素)。由3.0K到氖的三相點(24.5561K)之間，T90是用氖氣體溫度計來定義的。它使用三個定義固定點并利用規定的內插方法來分度。這三個定義固定點是可以通過實驗復現，并具有給定值。平衡氫三相點（13.8033K)到銀凝固點（961.78℃）之間，T90是用鉑電阻溫度計來定義的，它使用一組規定的定義固定點并利用規定的內插方法分度。銀凝固點（961.78℃）以上，T90借助于一個定義固定點和普朗克輻射定律來定義。所用儀器為光學或光電高溫計。

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