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温度计的构造

1、“温度计

俗称“寒暑表”。我国气象上将直接能读取数值而无自动记录装置的仪器,统称为温度计。其种类甚多,如干湿球温度计、最低温度计、最高温度计、地面温度计 等。家庭使用的温度计,系常见的一种两端封闭内径均匀的毛细玻璃管。封闭的下端是圆球或圆柱形,内注水银、酒精或煤油。由于温度的变化,液柱升降而伸缩。根据液柱顶端所在位置,即可直接读出标度数值。

2、“水银温度计

它是利用水银热胀、冷缩的性质而制造的一种测温计。高温可以测到300多摄氏度。由于熔点关系,测量-30℃以下的低温时则不能使用。制造水银温度计,首先应选取壁厚、孔细而内径均匀的玻璃管,经酸洗等过程使管内洁净。一端加热并吹成一个壁薄的球形或圆柱形的容器。水银是在某种特定温度下注入球形容器与玻管之中,此时水银的温度应比以后所测之最高温度还要高些。然后用火焰将灌满水银玻管的顶端封闭。当水银温度降低时开始收缩,于是在水银柱的上部管内出现一段真空。温度计的定标分度,首先要确定两个固定标点,作为永不改变的标记。将温度计液泡部分,插 入在一标准大气压下正在熔解的冰块中,当水银柱下降至某一处稳定时,刻一记号作为下固定点。然后再将温度计的整体,置于处在一标准大气压下的水蒸气中,当 水银柱上升停在某一位置不动时作一记号为上固定点。此二固定点间的距离,称为基本标距。此标距的长短与温度计的管径以及液泡的容积有关。将这段标距分成 100等分,每一等分即为一度。在下固定点处标0°记号,在上固定点标100°记号。在熔点以下及沸点以上还可刻同样长的标度。刻在0°以下的标度,称为 冷度,刻在0°以上称热度。由于温度计的基本标度被均分为100等分,故称百分温度计,又称摄氏温度计。除摄氏温标外也有采用华氏温标的,此温标以32° 为冰点,以212°为沸点,其中等分180个刻度。华氏温度计用字母F表示。两种温标关系为

F= 9 5 + 32 C = F 32℃,(—)。5 9

水银温度计存在一定的缺点,例如,玻璃管的内径不可能完全相同,尽管每个刻度与每个刻度之间的距离相等,但由于管的内径不同,则每刻度之间水银液柱的体积 并不相等,因而造成误差。当玻璃管内水银受热体积膨胀的同时,温度计的玻璃管及液泡部分的玻璃也受热膨胀。结果所读出的只不过是水银膨胀数值与玻璃膨胀数 值之间的差数而已。由于水银的凝固点(-38.87℃)与沸点(356.7℃)的关系,故它的计量只能在这个范围之内,可以测高温。若用以测低温,则必受 限制。

3、“酒精温度计”

构造与水银温度计相同,唯管内装有含红色染料的酒精。便于观察,此种温度计是用酒精为工作物质。因酒精的沸点(78℃)较低,凝固点在-117℃,因此多用酒精温度计作测低温物质。

4、“煤油温度计”

煤油温度计的工作物质是煤油,它的沸点一般高于150℃,凝固点低于-30℃。所以煤油温度计的量度范围约为-30℃~150℃。因酒精的沸点是78℃, 凝固点是-114℃。酒精温度计能比煤油温度计测更低的温度,但高于78℃的温度它就不能测定了。从中学物理实验室经常要测量的温度范围来看,煤油温度计 比酒精温度计更适用。当学生看到温度计的刻度在100℃,却不加分析地把温度计说成是酒精温度计,这是错误的(酒精温度达到78℃就已经沸腾了,岂能有 100℃的温度刻度)。目前中学实验室里所用的装有红色工作物质的温度计,一般都是煤油温度计,而不是酒精温度计。


5、“全辐射高温计”

它是一种测量高温辐射源的仪器。将来自辐射源的辐射,经凹面镜会聚到一块涂黑的箔片上,此箔片贴在温差电偶上。根据测出的温差电动势,即可知道箔片的温度。于是从箔片上的温度反映,得知辐射源的温度。

6、“最高最低温度计”

即“息克斯温度计”。它能指出在测量时间内所达到的最高温度和最低温度,但不能指出确切的时间。管内分别装入水银和无色酒精,由于酒精与水银膨胀系数悬 殊,当温度上升时,酒精膨胀,于是迫使水银挤向毛细管内而上升,上指针亦随之而上升,指示到达最高温度;当温度下降,则水银回流至另一管,将下指针推至最 低温度处。

7、“贝克曼温度计”

它也是一种玻璃管里贮有水银的温度计。它的构造特点是在装水银的细管上部,有一个可调节水银量的空泡,通过调节水银的流入量,从而改变可测温度的高低,但 整个管长只允许有几度范围的温度变化。它的用途是能比较准确地测量温度差。刻度可直接读出0.01℃,可估计到0.001℃,相当精确。这一温度计的整个 测温范围仅有5℃或6℃,所以它能测5℃或6℃的温度差。

8、“簧片温度计”

在水银面上放一短小的铁棒,当温度变化上升时,水银推棒前进;温度下降时,水银缩回,而铁棒则留在实际温度所到的最高刻度处。记录最高温度时,将此测温计横放。如计划再作测定时,可用磁铁将铁棒吸回,或将温度计直立即可。

9、“气体温度计”

利用一定质量的气体作为工作物质的温度计。用气体温度计来体现理想气体温标为标准温标。用气体温度计所测得的温度和热力学温度相吻合。气体温度计是在容器里装有氢或氮气,它们的性质可外推到理想气体。这种温度计有两种类型:定容气体温度计和定压气体温度计。定容气体温度计是气体的体积保持不变,压强随温度改变。定压气体温度计是气体的压强保持不变,体积随温度改变。

10、“定容气体温度计”

定容气体温度计,是保持气体体积不变,由气体的压强算出所测温度的一种装置。如图2-2所示。测温泡B(材料由待测温度范围和所用的气体决定)内贮有一定 质量的气体(一般装有氦,氢或氮气),经毛细管与水银压强计的左臂M相连。测量时,使测温泡与待测系统相接触,然后上下移动压强计的右臂M',使左臂中的 水银面在不同的温度下始终保持固定在同一位置0处,以保持气体的体积不变。当待测温度不同时,气体的压强不同,这个压强可由压强计两臂水银面的高度差h和 右臂上端水银面所受的大气压强求得。这样,就可由压强随温度的改变来确定温度。在实际测量的过程中,还必须考虑到各种误差的影响,例如,测温泡和毛细管的 体积随温度的改变,以及毛细管中那部分气体的温度与待测温度不一致等等。因此,对测量的结果还必须进行修正。

11、“定压气体温度计”

定压气体温度计是保持气体的压强不变,由气体的体积算出所测温度的装置。这种温度计的结构比定容气体温度计复杂,操作和修正工作也麻烦得多,除在高温范围外,在实际工作中一般都使用定容气体温度计。


12、“体温计”

是测量人体温度用的温度计。亦称“体温表”或“医用温度计”。体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容积大的多。泡里水银,由于受到体温的影 响,产生微小的变化,水银体积的膨胀,使管内水银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在35℃到42℃之间,所以体温计的刻度通常是35℃到 42℃,而且每度的范围又分成为10分,因此体温计可精确到1/10度。体温计的下部靠近液泡处的管颈是一个很狭窄的曲颈,在测体温时,液泡内的水银,受 热体积膨胀,水银可由颈部分上升到管内某位置,当与体温达到热平衡时,水银柱恒定。当体温计离开人体后,外界气温较低,水银遇冷体积收缩,就在狭窄的曲颈 部分断开,使已升入管内的部分水银退不回来,仍保持水银柱在与人体接触时所达到的高度。体温计是一种最高温度计,它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。 用后的体温计应“回表”,即拿着体温计的上部用力往下猛甩,可使已升入管内的水银,重新回到液泡里。其它温度计绝对不能甩动,这是体温计与其它液体温度计 的一个主要区别。

13、“高温计”

测量由物体辐射形成的极高温度(约1000℃以上)用的装置。它用在冶金工业和其它技术部门。由于待测温度的范围不同。高温计的类型亦有多种,如光测高温计,辐射高温计,电阻温度计及热电偶温度计等。

14、“低温计”

用来测量极低温度的温度计。管内盛无色酒精及一个哑铃状黑色细小的玻璃棒,用时平放,温度降低时酒精收缩,由表面张力作用使棒下降;温度升高时,此小棒即附着不动。若再作测定时,可将温度计倒立即可恢复原状。

15、“电阻温度计”

利用导体电阻随温度变化而改变的性质而制成的测温装置。通常是把纯铂细丝绕在云母或陶瓷架上,防止铂丝在冷却收缩时产生过度的应变。在某些特殊情况里,可将金属丝绕在待测温度的物质上,或装入被测物质中。在测极低温的范围时,亦可将碳质小电阻或渗有砷的锗晶体,封入充满氦气的管中。将 铂丝线圈接入惠斯通电桥的一条臂,另一条臂用一可变电阻与两个假负载电阻,来抵偿测量线圈的导线的温度效应。电阻将按下 列公式随温度发生变化:

R=R0(1+aθ)

式中R是θ℃的电阻,R0是0℃时的电阻,a是常数。比较精确的式子 是: R=R0(l+aθ+bθ2) 式中b是第二个常数。电阻温度计在-260℃~+1200℃范围内,可作极精确的测定。它适用范围广,远远超出水银温度计。可作测温的标准。

16、“温差电偶温度计”

利用温差电偶来测量温度的温度计。将两种不同金属导体的两端分别连接起来,构成一个闭合回路,一端加热,另一端冷却,则两个接触点之间由于温度不同,将产 生电动势,导体中会有电流发生。因为这种温差电动势是两个接触点温度差的函数,所以利用这一特性制成温度计。若在温差电偶的回路里再接入一种或几种不同金 属的导线,所接入的导线与接触点的温度都是均匀的,对原电动势并无影响,通过测量温差电动势来求被测的温度,这样就构成了温差电偶温度计。这种温度计测温 范围很大。例如,铜和康铜构成的温差电偶的测温范围在200~400℃之间;铁和康铜则 被使用在200~1000℃之间;由铂和铂铑合金(铑10%)构成的温差电偶测 温可达千摄氏度以上;铱和铱铑(铑50%)可用在2300℃;若用钨和钼(钼 25%)则可高达2600℃。