2.1 溫標(biāo)與測(cè)溫方法
2.1.1 溫度標(biāo)尺（溫標(biāo)）
1）溫度與溫標(biāo)：
l 溫度：衡量物體冷熱程度的物理量，是物體分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。
l 溫標(biāo)：衡量溫度高低的標(biāo)尺，是表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則。
2）經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)
l 攝氏溫標(biāo)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，兩固定點(diǎn)之間等分100份，每份為攝氏1度，記為1°c。（1740年瑞典人攝爾塞斯celsius）
l 華氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，兩固定點(diǎn)中間等分180份，每份為華氏1度，記為1°f。（1714年德國(guó)人華倫凱特fahrenheit）
｛zui初建立時(shí)以水銀作為測(cè)溫介質(zhì)，把氯化銨與水的混合物的溫度定為0度，人的體溫定為100度，按水銀的膨脹程度分成100等份，每份為華氏1度｝
l 兩種溫標(biāo)的關(guān)系：
2-1
l 這種溫標(biāo)的缺點(diǎn)：溫標(biāo)本身依賴于物質(zhì)本身的特性，分度的任意性無(wú)法滿足測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展需求。
l 解決：尋求一種不依賴于物質(zhì)本身特性的新溫標(biāo)。
3）熱力學(xué)溫標(biāo)
在卡諾循環(huán)中，卡諾機(jī)在高溫?zé)嵩磘1和低溫?zé)嵩磘2之間交換熱量，其中從高溫?zé)嵩次諢崃縬1,向低溫?zé)嵩捶艧醧2。則有
2.2
可見(jiàn)，溫度只與熱量有關(guān)，與物質(zhì)無(wú)關(guān)，從而避免了分度的任意性。以此建立的溫標(biāo)稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫度（也稱溫度）用符號(hào)t表示，單位為開爾文，符號(hào)k。
熱力學(xué)溫度的定義中以水的三相點(diǎn)作為273.16，再取1／273.16定義為1k。
4）理想氣體溫標(biāo)
由于卡諾機(jī)為理想熱機(jī)，實(shí)際上并不存在。復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)可從與卡諾定理等效的理想氣體狀態(tài)方程入手。用波意爾—馬略特定律制成氣體溫度計(jì)，解決了熱力學(xué)溫標(biāo)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。
5）實(shí)用溫標(biāo)（溫標(biāo)）
由于氣體溫度計(jì)制造和使用都很復(fù)雜，不宜實(shí)用，故只用來(lái)夫現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。1927年第七屆計(jì)量大會(huì)開始制定了以熱力學(xué)溫標(biāo)為基礎(chǔ)的能用公式表示、便于實(shí)際應(yīng)用的協(xié)議溫標(biāo)—溫標(biāo)（its-27）,后幾經(jīng)修改成為its-48/its-68/its-90。
1990年溫標(biāo)是國(guó)內(nèi)目前使用的溫度標(biāo)準(zhǔn)。包括三方面的內(nèi)容：溫度單位的定義；定義固定溫度點(diǎn)的方法和復(fù)現(xiàn)固定溫度點(diǎn)的方法。
2-3
2.1.2 測(cè)溫方法分類
兩大類 接觸式：體積膨脹式、壓力表式、熱電偶、熱電阻等
非接觸式：輻射式、光電式等
2.2 接觸式測(cè)溫
2.2.1 膨脹式與壓力式溫度計(jì)
1）膨脹式
l 玻璃管溫度計(jì)（液體膨脹式）
原理：基于液體在透明玻璃外殼中的熱脹冷縮作用。
結(jié)構(gòu)：感溫包（球型或圓柱形液體貯囊），毛細(xì)管，溫度標(biāo)尺。
內(nèi)標(biāo)式 圖2.5
圖2.6
棒式
外標(biāo)式
特殊結(jié)構(gòu) 圖2.7，2.8
數(shù)量關(guān)系：
2-4
其中： l—溫度計(jì)的靈敏度（對(duì)應(yīng)刻度每1°c，液體在毛細(xì)管中的長(zhǎng)度）；
—液體在0~100°c間的視膨脹系數(shù)；
v0—液體貯囊的容積；
s—毛細(xì)管的橫截面積。
[液體在玻璃內(nèi)的視膨脹系數(shù)：液體的平均體膨脹系數(shù)（）與玻璃的平均體膨脹系數(shù)（）之差。（可通過(guò)試驗(yàn)或查表取得，如p41 表2.3）]
提高靈敏度的方法：升高和v0（過(guò)大有熱惰性），降低s（過(guò)小易堵或上升不均勻）。
l 雙金屬溫度計(jì)（固體膨脹式）
原理：利用線膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，當(dāng)溫度變化時(shí)使自由端產(chǎn)生位移，用位移標(biāo)識(shí)溫度。
結(jié)構(gòu)： 如圖2.9，圖2.10
特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，價(jià)低，抗震動(dòng)和沖擊，精度稍差。
2）壓力式溫度計(jì)
原理：利用密封在容器中的工質(zhì)受熱后體積變化引起的壓力變化來(lái)指示溫度。
結(jié)構(gòu)：測(cè)溫包+壓力計(jì)（刻度成溫度示值），冰箱測(cè)溫或如圖2.11
2.2.2 熱電偶溫度計(jì)
1）熱電現(xiàn)象（塞貝克效應(yīng)1821年）：
兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）a和b構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度t1>t2時(shí)，回路中將產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。
l 產(chǎn)生的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)；
l ab構(gòu)成的閉合回路稱為熱電偶；圖2.12
l t1為測(cè)量端（熱端、工作端），t0稱為參比端（冷端、自由端）。
2）熱電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：
物理學(xué)指出，熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)組成。
l 接觸電勢(shì)：由于導(dǎo)體材料內(nèi)部自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同導(dǎo)體相互接觸時(shí)接點(diǎn)處產(chǎn)生的電勢(shì)。（自由電子從密度大的導(dǎo)體擴(kuò)散到密度小的導(dǎo)體中，失去電子的導(dǎo)體呈陽(yáng)性，獲得電子的導(dǎo)體呈陰性，因此又形成了一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，此電場(chǎng)阻礙自由電子的進(jìn)一步擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)力與擴(kuò)散力達(dá)到平衡時(shí)，接點(diǎn)處形成一定的電位差——即：接觸電勢(shì)也叫珀?duì)柼妱?shì)。
圖示見(jiàn)圖2.13（分清三個(gè)方向：內(nèi)部電場(chǎng)、內(nèi)部電壓降和外部電勢(shì)）
l 接觸電勢(shì)的數(shù)值：
2-5
式中：
k—波爾茲曼常數(shù)1.38´10-23 j／k
t—接點(diǎn)溫度
e—單位電荷數(shù)，4.802´10-10靜電單位
na、nb—導(dǎo)體a、b在溫度t時(shí)的自由電子密度
結(jié)論：接觸電勢(shì)是接點(diǎn)溫度的函數(shù)，與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)。
l 溫差電勢(shì)：同種材料導(dǎo)體由于兩端溫度不同產(chǎn)生的熱電勢(shì)。（溫度高的一側(cè)自由電子能量大，因此電子擴(kuò)散時(shí)從高溫端移向低溫端的數(shù)量多，返回的數(shù)量少，形成的內(nèi)部電場(chǎng)力與擴(kuò)散力平衡時(shí)，導(dǎo)體呈電性，產(chǎn)生溫差電勢(shì)—也叫湯姆遜電勢(shì)）
圖示見(jiàn)圖2.14（分清三個(gè)方向：內(nèi)部電場(chǎng)、內(nèi)部電壓降和外部電勢(shì)）
l 溫差電勢(shì)的數(shù)值：
2-6
式中：
—湯姆遜系數(shù)，表示溫差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。
—只與導(dǎo)體性質(zhì)及溫度有關(guān)，與導(dǎo)體長(zhǎng)度、截面積及溫度分布無(wú)關(guān)。
3）熱點(diǎn)偶回路的總電勢(shì)：
溫差電勢(shì)與接觸電勢(shì)的綜合效應(yīng)。
設(shè)t>t0，na>nb
如圖2.15
2-7
即：
2-8
ø 若電極a、b為同一種材料（na＝nb，），則無(wú)論溫度如何，回路總電勢(shì)始終為0；
ø 若t＝t0，則無(wú)論電極a、b材料是否相同，回路總電勢(shì)始終為0。
ø 熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的條件——不同材料且接點(diǎn)溫度不同。
l 等效表達(dá)形式1：
2-9
ø 熱電勢(shì)是溫度函數(shù)之差，而不是溫差的函數(shù)；
ø 若t0恒定，則熱電勢(shì)與t呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；
ø 熱電勢(shì)大小只與導(dǎo)體材質(zhì)和接點(diǎn)溫度相關(guān)，而與形狀、接觸面積無(wú)關(guān)；
ø 熱電極的極性規(guī)定，電子密度大的電極為正；熱電勢(shì)符號(hào)中電極和溫度順序互換一次，電勢(shì)變一次符號(hào)；
l 等效表達(dá)式2：
2-10
ø 2-11
證明：
2-12
4）熱電偶的基本定律
l 均質(zhì)導(dǎo)體定律
ø 均質(zhì)導(dǎo)體：沿導(dǎo)體長(zhǎng)度方向各部分化學(xué)成分均相同的導(dǎo)體。
ø 定律：由一種均質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。
ø 作用：熱電偶必須采用兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體構(gòu)成（制造）；
若兩種導(dǎo)體組成的閉合回路產(chǎn)生熱電勢(shì)，材料非均質(zhì)（冶煉）；
若材料局部不均勻?qū)a(chǎn)生附加熱電勢(shì)（及時(shí)檢修，防腐）；
l 中間導(dǎo)體定律
ø 定律：在熱電偶回路中接入中間均質(zhì)導(dǎo)體，只要導(dǎo)體兩端溫度相等，則對(duì)回路總電勢(shì)沒(méi)有影響（非均質(zhì)導(dǎo)體要求此導(dǎo)體等溫）。
證明：如圖2.16所示，在電極為ab的熱電偶回路中接人第三種均質(zhì)導(dǎo)體c，保持c兩端的溫度相等，則回路總電動(dòng)勢(shì)不變，即：
ca
b
a
t0
t
圖2.16
2-13
∵ 2-14
∴ 2-15
式2-15代入式2-13有：
證畢。
ø 作用：用儀表測(cè)量熱電勢(shì)成為可能；
且提出了測(cè)量接線及環(huán)境要求；
熱電偶開路測(cè)量金屬壁溫、液態(tài)金屬等成為可能；
可推廣到第四種以上導(dǎo)體。
ø 推論：如果a、b對(duì)c 材料的熱點(diǎn)是已知，則a、b構(gòu)成熱電偶的熱電勢(shì)為它們對(duì)c熱電勢(shì)的代數(shù)和。
a
c
a
+
＝
c
b
b
t
t
t
t0
t0
t0
證明：要證
證畢
ø 作用