实验八、定容空气温度计

1、 对于体积不变对于体积不变的气体，内部压强的气体，内部压强与温度成正比关系。与温度成正比关系。 实验八、定容空气温度计实验八、定容空气温度计实验八、定容空气温度计实验八、定容空气温度计 实验目的实验目的 实验内容实验内容 实验重点实验重点 实验仪器设备及材料实验仪器设备及材料 实验装置实验装置 实验原理实验原理 实验步骤实验步骤 注意事项注意事项 思考与讨论思考与讨论一、实验目的一、实验目的 1. 了解温度测量的方法及基本要求。了解温度测量的方法及基本要求。 2. 学会标度定容空气温度计和用空气温度计学会标度定容空气温度计和用空气温度计 校准水银温度计。校准水银温度计。二、实验内容二、实验内容

2、 学会标度定容空气温度计和用空气温度计校准水银学会标度定容空气温度计和用空气温度计校准水银 温度计。温度计。三、实验重点三、实验重点 1. 空气温度计的原理。空气温度计的原理。 2. 空气温度计的度标及校准。空气温度计的度标及校准。四、实验主要仪器设备及材料四、实验主要仪器设备及材料 定容空气温度计，大烧杯（高大于定容空气温度计，大烧杯（高大于40厘米，直径厘米，直径 大于大于25厘米），温度计，电磁炉，冰箱。厘米），温度计，电磁炉，冰箱。 五、实验装置五、实验装置 电磁炉上有铝筒，铝筒里电磁炉上有铝筒，铝筒里面放一个充有一定质量的干燥面放一个充有一定质量的干燥空气的玻璃泡容器，玻璃泡容空气的

3、玻璃泡容器，玻璃泡容器经细管与一个曲管水银压强器经细管与一个曲管水银压强计相接而使玻璃泡内空气密封。计相接而使玻璃泡内空气密封。曲管水银压强计的一侧有标尺，曲管水银压强计的一侧有标尺，另一侧有竖杆（上有标志记号另一侧有竖杆（上有标志记号X X）。上下移动水银储存器）。上下移动水银储存器R R，可以使靠近球形容器的水银柱可以使靠近球形容器的水银柱面发生变化（实验中与记号面发生变化（实验中与记号X X相平齐）。相平齐）。六、实验原理六、实验原理（一）（一） 温度计原理温度计原理 物体的冷热程度用温度的高低来描述，不同的物体物体的冷热程度用温度的高低来描述，不同的物体（系统）如果达到热平衡，则它们具

4、有相同的温度。因（系统）如果达到热平衡，则它们具有相同的温度。因此，为了测量不同物体的温度，就可以选择某个物体的此，为了测量不同物体的温度，就可以选择某个物体的温度作为标准，只要这个物体与被测量物体到达热平衡，温度作为标准，只要这个物体与被测量物体到达热平衡，那么这个标准物体的温度就是被测物体的温度。这个当那么这个标准物体的温度就是被测物体的温度。这个当做标准的、能测量温度的仪器就叫温度计。做标准的、能测量温度的仪器就叫温度计。 实验表明，当温度改变时，物体的某些属性实验表明，当温度改变时，物体的某些属性x x也相应也相应地改变（可以是体积、压强、电阻等）。只要物体的某地改变（可以是体积、压强

5、、电阻等）。只要物体的某一属性一属性x x随着温度随着温度t t的变化是单调而显著的，则这一属性的变化是单调而显著的，则这一属性就有可能被用来标志温度，或者说用来确定温度。一般就有可能被用来标志温度，或者说用来确定温度。一般情况下，情况下，x x不仅随着温度而变化，还随着其它属性的变化不仅随着温度而变化，还随着其它属性的变化而变化，例如气体的压强不仅随温度变化，还随气体的而变化，例如气体的压强不仅随温度变化，还随气体的体积而变化。体积而变化。 因此在利用因此在利用x x属性表示温度时，还需保证其它可能引属性表示温度时，还需保证其它可能引起起x x变化的因素不发生。在这种情况下，特别是当温度变化

6、的因素不发生。在这种情况下，特别是当温度t t是是x x的线性函数时，用的线性函数时，用x x来标志温度最为方便，即当来标志温度最为方便，即当 （a a和和 b b为常数）为常数） （1 1） 成立时，则只要选定成立时，则只要选定“两个定点两个定点”，即两个，即两个“基准温度基准温度”（例如水的冰点和沸点），可以从（例如水的冰点和沸点），可以从t t与与x x的线性关系式出的线性关系式出发，用发，用x x的各个数值来标志各对应的温度，这样就可以建的各个数值来标志各对应的温度，这样就可以建立某一种温标。如水的冰点（即纯冰与容有空气的饱和立某一种温标。如水的冰点（即纯冰与容有空气的饱和纯水溶液在一

7、个标准大气压下，达到平衡的温度）定位纯水溶液在一个标准大气压下，达到平衡的温度）定位00，则由（，则由（1 1）式得：）式得： （2 2）baxtbax00 又如水的沸点（在一个标准大气压下，纯水沸腾的温度）又如水的沸点（在一个标准大气压下，纯水沸腾的温度）定位定位100100，则由（，则由（1 1）式得：）式得： （3 3） 以上（以上（2 2）式和（）式和（3 3）式中的）式中的 和和 分别是分别是00和和100100随对应的随对应的x x 值。将值。将 和和 两点间内分为两点间内分为100100等分，等分，x x每改变每改变1 1等分视为温度改变等分视为温度改变1 1 。 由（由（1 1

8、）式、（）式、（2 2）式和（）式和（3 3）式可得：）式可得： （4 4） 这样规定的温标称作摄氏温标，用单位用这样规定的温标称作摄氏温标，用单位用表示。例如表示。例如水银温度计，是利用液态水银的体积膨胀来标志温度的，水银温度计，是利用液态水银的体积膨胀来标志温度的，即即 , ,代入（代入（4 4）式则有：）式则有： （5 5）bax1001000 x100 x0 x100 xCxxxxt001000100Vx CVVVVt001000100 华氏温标：若取冰点为华氏温标：若取冰点为3232，沸点为，沸点为212212，两定点间，两定点间内分为内分为180180等分，这样的确定的温标称为华氏

9、温标。等分，这样的确定的温标称为华氏温标。 经验温标：利用某种测温物质的某种属性随温度的变化经验温标：利用某种测温物质的某种属性随温度的变化规律所确定的温标，称为经验温标。规律所确定的温标，称为经验温标。 由于测温物质的不同属性形成了各种温度计，这些由于测温物质的不同属性形成了各种温度计，这些温度计除了冰点和沸点外，其它温度不不严格一致，常温度计除了冰点和沸点外，其它温度不不严格一致，常有微小的差别。有微小的差别。常用的玻璃液体温度计构造简单，读数方便，但也有较多常用的玻璃液体温度计构造简单，读数方便，但也有较多缺点：缺点：1.1.温度计的测量范围较小，如水银的凝固点为温度计的测量范围较小，如

10、水银的凝固点为-38.87-38.87，比这再低的温度就不能用它测了；比这再低的温度就不能用它测了；2.2.玻璃毛细管内径常有不均匀情况；玻璃毛细管内径常有不均匀情况；3.3.玻璃热膨胀后不易恢复原状（热滞现象）；玻璃热膨胀后不易恢复原状（热滞现象）；4.4.液体的体膨胀系数较小，且温度不同时也不一样；液体的体膨胀系数较小，且温度不同时也不一样； 由于以上缺点，这类温度计不能用于精密测量。在由于以上缺点，这类温度计不能用于精密测量。在精密测量时常用纯铂电阻温度计，而它又是靠气体温度精密测量时常用纯铂电阻温度计，而它又是靠气体温度计来校准的。计来校准的。气体温度计是以气体为测温物质的，其优点是：

11、气体温度计是以气体为测温物质的，其优点是：1.1.测量范围很大，许多气体的液化点很低（如氢气的液化测量范围很大，许多气体的液化点很低（如氢气的液化点为点为-252.780-252.780），在液化点以上的温度都可以用气体），在液化点以上的温度都可以用气体温度计来测量；温度计来测量；2.2.气体的热膨胀系数比液体大很多，因此装气体的玻璃容气体的热膨胀系数比液体大很多，因此装气体的玻璃容器的膨胀如有不均匀或热滞现象时，对气体膨胀精确度器的膨胀如有不均匀或热滞现象时，对气体膨胀精确度的影响就要比对液体的小的多，因而可以忽略不计；的影响就要比对液体的小的多，因而可以忽略不计；3.3.各种不同的气体温度

12、计，不论定压的还是定容的，所指各种不同的气体温度计，不论定压的还是定容的，所指示的温度基本一样，仅在精确度极高时才能看出小的差示的温度基本一样，仅在精确度极高时才能看出小的差别。别。气体温度计的缺点是：结构复杂，读数不便。气体温度计的缺点是：结构复杂，读数不便。 国际上采用绝对热力学温标为基本温标，它是理论国际上采用绝对热力学温标为基本温标，它是理论上所用的温标，它与理想气体做测温物质时的温标相同。上所用的温标，它与理想气体做测温物质时的温标相同。在这种温标中，规定水的冰点为在这种温标中，规定水的冰点为273.15K273.15K，沸点是，沸点是373.15K 373.15K 。实际上，在相当

13、广的范围内，实际气体的性。实际上，在相当广的范围内，实际气体的性质与理想气体相差极小，因此由实际气体温度计所定的质与理想气体相差极小，因此由实际气体温度计所定的温标，十分接近理想气体温标。温标，十分接近理想气体温标。 绝对温标与摄氏温标的关系为绝对温标与摄氏温标的关系为 , ,其中其中t t为摄氏温标的温度，为摄氏温标的温度，T T为绝对温标的温度，为绝对温标的温度， 是冰点是冰点的绝对温标温度，即为的绝对温标温度，即为273.15K273.15K。0TtT0T（二）（二） 定容空气温度计定容空气温度计 本实验研究的是定容空气温度计。它是取一定质量本实验研究的是定容空气温度计。它是取一定质量的

14、空气做测温物质，将其装于某一容器（玻璃泡）中，的空气做测温物质，将其装于某一容器（玻璃泡）中，并保持其容积不变。并保持其容积不变。 由理想气体的物态方程由理想气体的物态方程 可得：可得： （6 6） （6 6）式）式T T中为绝对温标的温度。绝对温标与摄氏温标的关中为绝对温标的温度。绝对温标与摄氏温标的关系为系为 , ,其中其中t t为摄氏温标的温度，为摄氏温标的温度，T T为绝对温标为绝对温标的温度，的温度， 是冰点的绝对温标温度，即为是冰点的绝对温标温度，即为273.15K273.15K。 nRTPV TPnRV0TtT0T 所以（所以（6 6）式换算成摄氏温标为：）式换算成摄氏温标为：

15、即即 （7 7） 由于气体的体积不变，式中由于气体的体积不变，式中 V,n,R V,n,R 均为常数，所以均为常数，所以可以假设用另一个常数表示：可以假设用另一个常数表示： 则（则（7 7）式变为）式变为 和（和（1 1）式相同。在这种情况下，）式相同。在这种情况下，压强随着温度作直线变化，故用压强来标志温度，压强随着温度作直线变化，故用压强来标志温度，即即 。由（。由（4 4）式可得：）式可得： （8 8） 上式温度单位为上式温度单位为。15.273tPnRVtPnRV15.27315.273bnRVabaxtPx CPPPPt001000100 由于在我们的实验条件下，沸点时大气压不是标准

16、大由于在我们的实验条件下，沸点时大气压不是标准大气压，因此沸点温度也不是气压，因此沸点温度也不是100100。实验室大气压。实验室大气压 所所对应的沸点温度对应的沸点温度 ，可查附表。因此（，可查附表。因此（8 8）式应改为：）式应改为： （9 9） 式中式中 是温度为零时容器内的压强，是温度为零时容器内的压强， 是温度为沸点温是温度为沸点温度度 时容器内的压强。时容器内的压强。PbtbbtPPPPt00bPbt0P 玻璃泡内空气压强玻璃泡内空气压强P P的测量：上下移动水银储存器使的测量：上下移动水银储存器使靠近球形容器的水银柱面与记号靠近球形容器的水银柱面与记号X X相平齐。当电磁炉开始相

17、平齐。当电磁炉开始加热，铝筒中的水温发生后，玻璃泡容器内气体的温度、加热，铝筒中的水温发生后，玻璃泡容器内气体的温度、压强或体积都发生变化。上下移动水银储存器压强或体积都发生变化。上下移动水银储存器R R，靠近球，靠近球形容器的水银柱面与记号形容器的水银柱面与记号X X相平齐，这时球形容器内空气相平齐，这时球形容器内空气的体积没有变。气体的压强与温度成正比变化。可以由的体积没有变。气体的压强与温度成正比变化。可以由压强计两边的水银高度差压强计两边的水银高度差 和实验室的气压和实验室的气压 求得，求得，即即 （1010） 本实验内容即为根据（本实验内容即为根据（9 9）式和（）式和（1010）式

18、来定标定容）式来定标定容空气温度计的摄氏温标。空气温度计的摄氏温标。hbPhPP 七、实验步骤七、实验步骤 1 1 定标沸点的气压定标沸点的气压 为实验室大气压，从实验室福廷为实验室大气压，从实验室福廷 式气压计读出式气压计读出 。 查出气压对应沸点查出气压对应沸点 。 2 2、使靠近球形容器的水银柱面与记号、使靠近球形容器的水银柱面与记号X X相平，读出记号相平，读出记号X X 的高度的高度 。 3 3、将玻璃泡、待校温度计置于盛有冰水混合物的水中以、将玻璃泡、待校温度计置于盛有冰水混合物的水中以 确定其零点确定其零点( (时间要足够时间要足够) )。 4 4、上下移动水银储存器、上下移动水

19、银储存器R R，使靠近球形容器的水银柱顶，使靠近球形容器的水银柱顶 点升至记号点升至记号X X，记录此时靠近尺子的水银柱的高度，记录此时靠近尺子的水银柱的高度 和温度计的读数和温度计的读数 。 Pbt0h1h1tP5 5、开启电磁炉，开始加热、开启电磁炉，开始加热, ,每升高每升高1010，停止加热，充分，停止加热，充分搅拌，当球形容器在与室温相同的水中已有搅拌，当球形容器在与室温相同的水中已有1010分钟时方分钟时方可记录数据。上下移动水银储存器可记录数据。上下移动水银储存器R R，靠近球形容器的，靠近球形容器的水银柱面与记号水银柱面与记号X X相平齐，记录靠近尺子的水银柱的高相平齐，记录靠

20、近尺子的水银柱的高度度 和温度计的读数和温度计的读数 。6 6、容器里的水加热沸腾并持续、容器里的水加热沸腾并持续5 5分钟，上下移动储存器分钟，上下移动储存器R R使水银柱顶点升至记号使水银柱顶点升至记号X X。记录沸点时靠近尺子的水银。记录沸点时靠近尺子的水银柱的高度柱的高度 和温度计的读数和温度计的读数 。、32hh、54hh、5432tttt沸腾h沸腾t7 7、停止加热，充分搅拌让水冷却。下降过程中，每隔、停止加热，充分搅拌让水冷却。下降过程中，每隔1010，记录靠近尺子的水银柱的高度，记录靠近尺子的水银柱的高度 和温度计的读数和温度计的读数 。可用加冷水和。可用加冷水和充分搅拌的方法加速冷却。下降至室温即可。充分搅拌的方法加速冷却。下降至室温即可。 注意：下降过程要密切观察水银柱，因为空气冷却时会注意：下降过程要密切观察水银柱，因为空气冷却时会收缩，如果储存器不往下放一点，水银会掉进球形容器收缩，如果储存器不往下放一点，水银会掉进球形容器内，实验就要重做。内，实验就要重做。8 8、记录数据并作出压强、记录数据并作出压强P P温度温度t t（）图）图( (线性回归法线性回归法) )和做出水银温度计的校准曲线和做出水银温度计的校准曲线 - ,- , . .、54321hhhhh、54321ttttt水银温度计读数tt水银温度计读数气体t