1、第1章 温度 第1章 温度 1.1 热学基本概念热学基本概念 1.2 热力学第零定律热力学第零定律 1.3 温标温标 1.4 实用温度计实用温度计第1章 温度 1.1热学基本概念热学基本概念1.1.1系统与外界系统与外界1.系统和外界系统和外界热学是物理学的一个分支，是研究物质有关热现象规律的科学。实验表明一切宏观物质都由大量微观粒子组成，这些微观粒子以各自的方式相互作用，并处于不停的无规则运动之中，而热现象是组成物质的大量微观粒子运动的集体表现。因此，热学所研究的对象是由大量微观粒子组成的宏观物体。它可以大到星球小到一粒细沙；它可以是一个物体，也可以是几个物体组成的物体系。这种被研究的客体称
2、为热力学系统，简称为系统。第1章 温度 热力学系统在宏观上具有一定尺度，但在微观上数目必须很大，即体积可以很小，但必须包含大量的微观粒子。只有很少数粒子组成的系统不是热力学的研究对象，热力学不研究单个粒子的行为，它研究大量微观粒子运动的集体表现。与热力学系统相互作用着的周围环境称为外界。如把汽缸中的气体当作系统时，活塞、汽缸壁、汽缸外的空气就是外界。又如，处在磁场中的磁介质，若把磁介质看成热力学系统，则外加磁场就是系统的外界。第1章 温度 2.系统的分类系统的分类根据系统和外界之间有无能量和物质的交换，可以把系统分为三类：开放系统，封闭系统，孤立系统。开放系统是指与外界既有物质交换，又有能量交
3、换的系统，如放在空气中的一杯热水，就是一个开放系统；与外界没有物质交换，但有能量交换的系统称为封闭系统，如封闭在汽缸中的气体便是封闭系统的例子，由于汽缸是密闭的，使气体与外界没有物质交换，但可以有能量交换，如给系统加热或做功等。与外界既没有物质交换，也没有能量交换的系统称为孤立系统。孤立系统是一个理想模型，自然界中并不真正存在这种系统，但当系统与外界的相互作用小到可以第1章 温度 忽略时，可近似地将其看成是孤立系统。例如把地球当作系统时，宇宙中其它星球就是外界，由于二者之间的相互作用很小，因此地球可看做孤立系统。第1章 温度 1.1.2平衡态与状态参量平衡态与状态参量1.平衡态平衡态一个热力学
4、系统在不受外界影响的条件下，宏观性质(如密度、温度和压强)不随时间变化的状态，称之为热力学平衡态，简称平衡态，反之称为非平衡态。实验表明，如果系统不受外界影响，则经过一定的时间后，系统的状态必定会达到热力学平衡态；达到了平衡态以后，将长时间保持这种状态。只有受到外界影响时，平衡态才会被破坏。热力学平衡态与力学中的平衡不同，处于热力学平衡态的物质系统的分子和原子仍处在不断的运动之中，但分子和原子运动的平均效果不变，而这种平均效果就表现为系统达到了宏观的平衡态。因此，热力学平衡态是一种动态平衡。第1章 温度 所谓没有外界影响，是指外界对系统既不做功，又不传热。假设外界对系统发生影响，系统就不能保持
5、在平衡态。不能把平衡态简单地说成是不随时间改变的态，也不能简单地说是外界处在条件不变的状态。没有外界影响和宏观性质不随时间变化这两个条件缺一不可。例如取一根金属棒，一端与高温热源接触，另一端与低温热源(热源的特点是不论其吸收或放出多少热量，其温度不变)接触，如图1-1所示。此时棒的温度虽然各处不同，但不随时间改变，外界高低温热源的温度也各自维持不变，但是这时却有热量不断地从棒的一端向另一端传递，因此棒不是处在平衡态。第1章 温度 图1-1金属棒传热图 第1章 温度 2.状态参量状态参量人们可以用位移、速度和加速度等物理量来描述一个运动物体的状态，那么如何描述一个热力学系统的平衡态呢？为了描述系
6、统不同的状态，需选择若干个独立变化的、可以测量的宏观物理量，这些物理量叫做状态参量。假设我们所研究的系统是气体系统，它的质量是一定的。如果将此气体封闭于一定体积的容器中，并对它加热，则气体的压强增加了。反之，若将此气体在一定的压强下加热，则气体的体积将会膨胀。由此可见，要描述这种气体的状态至少需要两个量，一个是体积，一个是压强。这两个量就是气体系统的状态参量。状态参量不同，系统的状态就不同。第1章 温度 1.1.3系统与外界相互作用的方式系统与外界相互作用的方式当系统处于平衡态时，如果没有外界的影响，系统不能改变自己的状态。只有当外界对系统施加作用与影响时，其状态才会发生变化。系统与外界之间的
7、相互作用可以分为以下三类。(1)力的相互作用。力的相互作用表现为系统对外界或外界对系统做功。其所产生的效果是通过做功来改变系统的能量，从而改变系统的状态。例如，汽缸中气体被活塞压缩就是这种相互作用。第1章 温度(2)热的相互作用。热的相互作用表现为系统与外界直接进行热接触。其所产生的效果是通过热接触传递的热量，来改变系统与外界的状态。例如，将一块被加热的金属放进一桶冷水中，经过一段时间后，可观察到金属的状态(温度)发生了变化。(3)物质交换的相互作用。物质交换的相互作用表现为系统与外界发生物质交换。其所产生的效果是改变了系统与外界的化学成分和含量，因而改变了系统与外界的状态。例如杯中的水蒸发为
8、水蒸气就是这种情况。对于封闭系统，只有前两类相互作用，因为封闭系统与外界没有物质交换，但可能有能量交换。对于开放系统，三类相互作用都可以存在。第1章 温度 1.2热力学第零定律热力学第零定律温度表示物体的冷热程度，即热的物体温度高，冷的物体温度低。这一概念来源于人们对冷热现象的经验感知，它只有相对的意义，无法用于客观的、定量的测量。这种建立在主观感觉之上的温度的概念随意性很大，不能定量地描述物体的冷热程度，有时还会产生错觉。大家可以做一个简单的实验：把左手浸在一盆热水中，把右手浸在一盆冷水中，几分钟后再把两只手同时浸入一盆温水中，左手感觉到水是凉的，而右手感觉到水是热的。再例如分别用双手触摸温
9、度相同的铁块和木块，会感觉到铁块较“烫手”。因此，要准确、定量地表征物体的冷热程度，必须给温度以严格的科学定义。这要从热力学第零定律中寻找答案。在介绍热力学第零定律前，首先介绍绝热壁、透热壁、热接触和热平衡等概念。第1章 温度 1.2.1基本概念基本概念1.绝热壁绝热壁能将两个系统A和B隔开，并使系统A和系统B之间没有物质和能量交换的器壁叫做绝热壁。由于绝热壁的存在，系统A的状态变化不影响系统B的状态变化，系统A和系统B之间没有能量交换，则一定没有热的交换，所以称为绝热壁。这里所谓的壁，只是笼统地概括，如混凝土、石棉、毛毡等都是实验用的绝热材料。2.透热壁透热壁能将两个系统A和B隔开，并使系统
10、A和系统B之间只有热量交换的器壁叫做透热壁。由于透热壁的存在，系统A的状态发生变化时，B的状态也发生变化。金属片是常用的透热壁。第1章 温度 3.热接触热接触两个系统通过透热壁相互接触称为热接触。若发生热接触，则两系统之间有热量的交换，因此对应的状态也发生变化。4.热平衡热平衡使各自处在平衡态的两个系统的热接触。实验表明，两系统的平衡态均被打乱变为非平衡态，但经过一段时间后，这两个系统达到了一个共同的平衡态。由于这种平衡态是通过热接触达到的，故称之为热平衡。第1章 温度 1.2.2热力学第零定律和温度的定义热力学第零定律和温度的定义1.热力学第零定律热力学第零定律如图1-2所示，用绝热壁使彼此
11、隔开的A和B两系统，分别经透热壁与第三系统C接触，再用绝热壁把整个系统包围起来。实验表明，开始时，A、B、C三个系统分别处于不同的平衡态(即状态参量各不相同)，由于A和C之间、B和C之间有能量交换，三个系统原有的平衡状态将被打破。但是，过一段时间之后会发现，三个系统的状态参量均不再改变，即达到新的平衡态。显然，当A、B分别与C达到热平衡后，若将A、B之间的绝热壁换成透热壁，那么A、B两系统也不会再发生变化。第1章 温度 图1-2热力学第零定律 第1章 温度 这些事实可简明叙述如下：与第三个系统处于热平衡的两个系统，它们彼此也处于热平衡。这个事实称为热力学第零定律，是福勒在1939年提出的。因为
12、在提出第零定律之前，热力学第一定律和热力学第二定律已经提出并命名了，而从热力学的逻辑性来说，它又应排在热力学第一定律和第二定律之前，所以将其命名为第零定律。热力学第零定律是经验的总结，不是逻辑推理的结果，不能认为它是理所当然的，显而易见的。例如，两块铁A和B都吸引磁体C，但A和B不一定相互吸引。第1章 温度 2.温度的定义温度的定义究竟是什么性质决定两系统是否处于热平衡呢？此问题导致我们把温度作为系统的一个新的性质来重新定义：一个系统的温度，就是决定该系统是否与其他系统处于热平衡的性质。当两个或更多的系统处于热平衡时，就说它们具有相同的温度。热力学第零定律不仅给出了温度的科学定义，而且还给出了
13、温度测量的基本依据。比较两个物体的温度，不需要使两个物体直接接触，只需要取一个标准的物体分别和这两个物体进行热接触，这个取为标准的物体就是温度计。在研究服装的隔热性能和温度舒适性时，最基本的问题就是人体、服装以及外界环境三者之间的热平衡关系，因此理解温度这个新定义是非常必要的。第1章 温度 1.3温标温标要比较温度的高低，就需要找出温度的测量方法并进行数值表示。温度的数值表示称为温标。温标的建立大致经历了三个阶段：经验温标、热力学温标和各种温度间的换算关系。1.3.1经验温标经验温标任何一种物质的任何一种物理属性，只要它随温度的变化是单调的、显著的，都可以用来计量温度。以此为基础建立的温标称为
14、经验温标。经验温标有三个基本要素。第1章 温度(1)测温物质。制定温标首先要选定测温物质。通常的气体、液体和固体都可作为测温物质，如氢气、二氧化碳、水银、煤油、酒精、铜和铂等。(2)测温属性。选定测温物质的某个物理量作为测温属性，如气体的压强或体积，水银、煤油、酒精柱的长度，金属导体的电阻等均可作为测温属性。一般地，规定测温属性随温度作线性变化，这样便于刻度，但不是必须这样规定，亦可以作非线性变化。(3)固定标准点。仅有测温物质和测温属性只能确定物体温度的相对高低，为标定温度的确切数值还需要规定两个标准温度值，它们是某些物质在规定条件下物态变化时所对应的温度，这些温度固定不变而且是可以复现的。
15、由这两个固定的定标点便可确定一个固定的温度间隔。第1章 温度 下面介绍两种常用的经验温标。1.摄氏温标摄氏温标摄氏温标是瑞士天文学家摄尔西斯于1742年以水银为测温物质，以细玻璃管中水银的体积(或长度)为测温属性而制定的温标。在摄氏温标下，规定水的冰点为0，水的沸点为100。摄氏温标的单位为。测温属性随温度变化的关系为t(x)=ax+b (1-1)利用固定点的条件可确定两个待定常数a和b。第1章 温度 2.华氏温标华氏温标华氏温标是1714年德国物理学家华伦海脱利用水银在玻璃管内的体积变化而建立的温标。在华氏温标下，规定冰和盐水的混合物为0 度，水的沸点为212。在0 和212 之间一定量的水
16、银的长度变化量等分为212格，每一格为一华氏度。华氏度单位为。水银柱长度随温度作线性变化。用tF表示温度，用x表示水银柱长度，则有tF(x)=ax+b (1-2)其中a、b是两个待定常数，由两个固定点的条件可以确定其数值大小。第1章 温度 1.3.2热力学温标热力学温标在经验温标下，用不同测温物质的温度计测量同一物体的温度，所得到的结果不同。原因在于不同物质的相同属性或同一物质的不同属性随温度的变化关系不同，这正是经验温标的弱点温度的测量依赖于测量物质及测温属性。为了使温度测量得到确定一致的结果，必须建立统一的温标作为标准。经过大量的实验人们发现，如果采用理性气体作为测温物质，由此建立的理想气
17、体温标与气体的种类和测温属性无关，只与气体的共性有关。因此，在温度的计量工作中，采用理想气体温标作为标准温标。本书中理想气体温标使用较少，因此这里不做详细介绍。第1章 温度 理想气体温标仍然要依赖测温物质(气体)，是否可能建立一种温标，它完全不依赖于任何测温物质及测温属性？1848年英国物理学家开尔文解决了这个问题，建立了完全不依赖于测温物质、测温属性的温标热力学温标。在热力学温标中，规定其单位为开尔文(简记为K)，规定水的三相点热力学温度为273.15K，而1K为水的三相点温度的1/273.15。第1章 温度 1.3.3各种温度间的换算关系各种温度间的换算关系由热力学温标规定的热力学温度(T
18、)是国际单位制中的温度的基本单位。我们日常生活中使用的由摄氏温标规定的摄氏温度(t)也允许使用，两者的换算关系为t=T273.15 (1-3)在英美的工程界和日常生活中，还使用华氏温标。按照我国颁布的计量法，已不允许使用这个温标，然而由于它们经常出现在许多有关服装研究的文献中，故下面对其与热力学温度和摄氏温度的换算做一简单介绍。华氏温标与摄氏温度的换算关系为3259ttF(1-4)第1章 温度 式中tF为华氏温度，单位为华氏度()。利用式(1-3)和式(1-4)可以得到华氏温标和热力学温度之间的换算关系为了计算方便，通常把式(1-3)式和式(1-5)中的常数273.15和459.67分别取27
19、3和460。图1-3列出了热力学温标、摄氏温标和华氏温标之间的部分对应关系。6745959F.Tt(1-5)第1章 温度 图1-3开氏、摄氏和华氏温标间的关系 第1章 温度 1.4实用温度计实用温度计原则上只要物质的任一性质随温度单调变化就可用来制作温度计，但在使用上要考虑多种因素，如物理量随温度变化要大，以提高测量精度等。随着有关温度测量理论的建立和逐渐完善，测温技术发展很快。目前，人们已经利用各种测温物质的不同测温属性制成了种类繁多的测温仪表，下面介绍若干实用的温度计。1.4.1热膨胀式温度计热膨胀式温度计热膨胀式温度计是根据物体受热膨胀的原理制成的，主要有玻璃管液体温度计和固体膨胀式温度
20、计。第1章 温度 常见的水银温度计和酒精温度计就属于玻璃管液体温度计。水银温度计的测量范围为-30300，最高可达600。酒精温度计多用于常温和低温的测量中，测量范围为-10075。玻璃管液体温度计的构造简单，使用方便，价格低廉，测量精度较高，因此在能够就地读数的场合应予优先考虑。固体膨胀式温度计是指把两种线膨胀系数不同的金属或非金属组合在一起作为感温元件，它的一端固定在壳体上，另一端悬空。当感温元件的温度有变化时，悬空的一端便产生一定的位移，此位移通过传动机构使指针指示位置变化，指出温度的数值。第1章 温度 1.4.2电阻温度计电阻温度计所有导电物质的电阻都随温度变化。金属的电阻率随温度的升
21、高而升高，半导体材料的电阻率随温度升高而减小。电阻温度计的优点是灵敏度高，在500以下用电阻温度计测量较之用热电偶测量时信号大，测量精度高，容易实现信号的自动控制和远距离传送。常用的电阻温度计分别介绍如下。(1)铂电阻温度计。金属铂在氧化性介质中物理和化学性质都非常稳定。铂电阻温度计精度高，可靠性强，复现性好，它是用得最广泛的电阻温度计。铂电阻温度计的不足之处是在高温条件下，很容易被氢化物中还原出来的蒸气所污染。这种情况下必须用保护套管把铂电阻与有害气体隔离开来。此外，这种温度计价格昂贵。第1章 温度(2)铜电阻温度计。铜的电阻温度系数较大，在液氧温度下比铂稍高。铜的电阻与温度关系几乎是线性的
22、。铜电阻的缺点是容易氧化。这种温度计适用于从液氢温度(约20K)到150左右的温度测量。可将铜丝直接绕在被测装置上，这既能更真实地反映被测物体温度，又能加快响应。铜还可同时用作加热器和温度计。(3)锗电阻温度计。锗是半导体，它的电阻和温度的关系与金属电阻温度计的相反，随温度的升高而减小。锗电阻温度计是较好的也是用的较多的低温温度计，一般用于0.5K12K温度范围，在该温区锗电阻温度计灵敏度高。第1章 温度 1.4.3热电偶温度计热电偶温度计两个不同导体的闭合回路，当其两个接点的温度不同时，回路中就有电动势，这种现象称为温差电效应。如图1-4所示为两种不同导体A和B组成的回路，当其接点温度不相同
23、时，回路中就产生电动势。理论和实践证明，电动势是两个接点温度的函数差，即E=f(t)f(t0)(1-6)如果t0为常数，则回路中的电动势E=f(t)C (1-7)第1章 温度 图1-4热电偶原理图 第1章 温度 这说明两个物体组成的热电偶，如果其中一端温度维持一定，则热电偶所产生的电动势将仅随其另一端的温度而变，二者的关系为单值函数关系。热电偶温度计就是根据这一原理，设法维持其一端的温度不变，并测出回路中的电动势来定出热电偶的另一端的温度的。通常把热电偶被测量温度的一端称为工作端、测量端或热端；把另一端，即维持固定温度的一端称为参考端、自由端或冷端。为了增加热电偶输出的电动势，将一系列热电偶串
24、联起来，使奇数接点受热，而偶数接点受冷，就可以加强温差电现象。这种器件称为温差电堆，或热电堆，如图1-5所示。第1章 温度 图1-5热电堆原理图 第1章 温度 在实验室中，经常把冷端置于冰点槽内以维持其温度为0度。在工业固定设备上我国多采用冷端补偿器，它是一个不平衡电桥，可以自动补偿冷端温度变化引起的温差电动势的变化。这样，经过补偿后的热电偶输出电动势便与冷端温度无关。热电偶温度计是目前较普遍使用的温度测量仪表。由于热电偶温度计的结构简单、使用方便、测量准确等优点，使得它在温度测量中占有很重要的地位。热电偶在3001600的测量范围内使用较为广泛。对于接近室温的温度范围，热电偶温度计虽然也可以使用，但其输出电动势相对较小，冷端补偿引起的误差相对较大。现在工业上对200以下的温度，较少使用热电偶测量。特别值得指出的是，应用热电堆可以制成在服装研究中有重要用途的热流计测头。
