定容气体温度计

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介绍

定容气体温度计的工作原理基于热力学。让我们来了解一下。

• 温度计最好的例子就是热力学第零定律。定容气体温度计至关重要，因为其他温度计都是用它来校准的。

• 一个定容气体温度计通常由一个充满一定体积稀薄气体的球泡和一个连接的水银压力计组成。压力计用于测量压力的变化。

• 根据盖-吕萨克定律，理想气体的压力与其温度成正比。同样，温度下降，压力也会相应下降。

温度与温度计

• 测量温度的仪器称为温度计。它可以测量食物以及其他固体、液体和气体（包括空气）的温度。三种最常用的温度单位是摄氏度、华氏度和开尔文。

• 摄氏温标属于公制系统。公制系统还包括长度和质量单位。世界上几乎所有国家都使用公制系统作为官方计量单位，其中包括摄氏度。

• 在大多数科学领域中，都使用摄氏温标来测量温度。水的冰点为零摄氏度，沸点为一百摄氏度。

• 在记录极其精确的温度时，物理学家和其他科学家使用开尔文温标。开尔文温标包含“绝对零度”的温度，也就是完全没有热能的温度，这是唯一包含此温度的计量单位。

• 因此，科学家们根据开尔文温标来确定太空寒冷深处物体的温度。水的冰点为273开尔文，沸点为373开尔文。

• 由于开尔文温标使用如此大的数字，例如一个75华氏度（约24摄氏度）的日子，读数为297开尔文，所以我们不会用这种方式测量室外的温度。

测温液体的特性

• 能够根据环境温度改变体积的液体称为测温液体。换句话说，温度计通过使用测温液体来测量温度。

• 酒精和水银都是常见的测温液体。在使用范围内，它们不应结冰或沸腾。

• 它不应腐蚀容器。如果温度计破损，它不应有毒或危险。水银和酒精是两种液体温度计。

• 液体温度计包含一种液体，例如酒精，用于测量温度。它用于测量水银温度计无效的地方的温度。

理想气体方程

• 在低压和高温范围内，当气体分子几乎不相互依赖地运动时，气体的体积V、压力P和温度T之间的关系称为理想气体定律，也称为完全气体定律。

• 在这种情况下，理想气体定律（也称为状态方程）适用于所有气体：PV等于nRT，其中n是气体的摩尔数，R是普适气体常数。

$$PV=nRT$$

• 可以使用理想气体定律来确定产生或消耗的气体体积。

• 汽车安全气囊的工作原理符合理想气体定律。气囊被激活后，各种气体立即充满气囊内部，使其膨胀。叠氮化钠和硝酸钾之间的反应使安全气囊充满氮气。

定容气体温度计

• 定容气体温度计通过改变气管内气体的压力来显示温度变化。气管内气体的体积是固定的。

• 因此，必须将装置连接到一个定容温度计来测量温度变化。这种温度计有两个臂，它们封闭在一个柔性管中。

• 必须使臂中的水银保持在一定水平，以保持其中一个臂中的水银液面恒定。通过物理地上下移动装有水银的另一个管子，可以保持管内水银液面恒定。

• 在一个管子中观察到的压力变化以及两个管子中水银液面的变化，都表明气管内气体温度值的任何变化。通过将气管内的气体保持在三相点水温度，我们可以校准这个温度计。

原理

• 定容气体温度计的工作原理是基于盖-吕萨克定律。根据该定律，理想气体的压力与其温度成正比。

• 同样，压力也随温度的降低而降低。定容气体温度计通过测量在保持体积不变的情况下，压力随温度变化来测量温度的升高。

用途

使用定容气体温度计计算系统的温度变化。它有一个装有固定体积气体的管子，其热力学特性之一是压力随温度变化。

盖-吕萨克定律

• 盖-吕萨克定律是一个气体定律，它指出气体的压力（在保持体积和质量不变的情况下）与其绝对温度成正比。

• 换句话说，即使气体的质量是固定的，并且体积是恒定的，气体的压力也与其温度成正比。

• 法国科学家约瑟夫·盖-吕萨克于1808年提出了这个定律。盖-吕萨克定律可以用以下数学表达式表示：

$$ \frac{P}{T} = 常数 $$

$$ \frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2} $$

其中：

$$ P_1 = 初始压力 $$

$$ P_2 = 最终压力 $$

$$ T_1 = 初始温度 $$

$$ T_2 = 最终温度 $$

结论

定容气体温度计是一种用于测量压力变化的温度计。在这种温度计中，连接到压力计装置的球泡中填充的气体体积是固定的。由于唯一变化的属性是温度和压力，因此它遵循盖-吕萨克定律，其中压力与温度成正比。这种温度计的优点在于它可以提供精确的结果。

常见问题

Q1. 盖-吕萨克定律有什么意义？

A1. 这个气体定律的意义在于它表明气体温度的升高会导致其压力的相应升高（保持体积不变）。类似地，降低温度会导致压力的相应降低。

Q2. 定容气体温度计的温度范围是多少？

A2. 使用氦定容气体温度计获得的热力学温度标度测量温度范围为-183°C至100°C。

Q3. 温度计的类型有哪些？

A3. 主要有两种类型的温度计：实验室温度计和临床温度计。

Q4. 定容气体温度计的精度如何？

A4. 定容气体温度计可以在很宽的数值范围内进行可靠的测量。正如我们所看到的，定容气体温度计充满了理想气体，这只有在高温和低压下才能实现，在这种情况下，几乎没有分子间相互作用。

Q5. 查理定律在现实生活中的应用是什么？

A5. 查理定律的实际应用在我们的厨房也很明显。当面包和蛋糕发酵时，使用酵母来创造柔软、易弯曲的质地。当面包和蛋糕在高温下烘烤时，二氧化碳气体膨胀。