升华和凝华导学案.doc

课题4：升华和凝华【导学目标】1.知道升华和凝华的概念，知道升华要吸热，凝华要放热。2.了解生活中的升华和凝华现象，并能用物理的语言进行解释。【导学重难点】重点：通过碘的升华和凝华实验培养学生的观察实验能力。通过日常生活中实例的解释，培养学生用物理知识解决实际问题的能力。难点：通过识别生活中常见的物态变化现象培养学生运用物理知识解决实际问题的能力。【导学过程】一、自主学习（一）填空题1物质从气态直接变成_态的现象叫做凝华，物质在凝华过程中要_热。2物质从固态直接变成_态的现象叫做升华，物质在升华过程中要_热。3实验室常用固态二氧化碳（干冰）来获得低温，这是因为二氧化碳在_时_热的缘故。 4用久了的电灯泡壁会发黑，这是因为灯泡内的钨丝_和_而形成的。5指出下面的物理现象属于物态变化的哪种方式。(1)萘球过一段时间后会变小。_(2 )冰冻湿衣服在0以下也会干。_(3)沥青马路在太阳照射下熔化。_(4)洒在地上的水很快干了。_(5)戴眼睛的人从 寒冷的室外进入暖和的室内时，镜片上会出现一层小水珠。_ (6)寒冷的早晨，窗玻璃上凝结着冰花。_（二）选择题1以下说法中正确的是()A.水的沸点是100 B水的温度达到沸点时就能沸腾C在一个标准大气压时，水的沸点是100 D以上说法都正确2在物态变化过程中，放出热的是() A.凝华、凝固、汽化B熔化、凝华、液化 C液化、凝固、凝华 D汽化、升华、熔化3下列物态变化过程属凝华现象的是 () A.草地上露水的形成 B夏天冰雹的形成C清晨大雾的形成 D以上都不是（三）通过自学你有什么收获?有什么疑问 ？课前组内进行交流，以小组为单位将问题展示出来。二、合作探究（一）探究碘的升华和凝华，得出升华和凝华的概念。1.回顾物质的状态及其物态变化，提出问题：物质能否由固态直接变成气态或者由气态直接变为气态？进行猜想。2.做碘的升华和凝华实验，验证猜想。 观察试管中碘的状态和颜色，思考要让固态的碘的状态发生变化，可采用什么办法。分组实验，用热水对固态的碘加热，轻轻摇晃试管，观察是否有液体生成，说出观察到的现象。将紫色的碘蒸气用冷水降温，观察碘蒸气的变化，取出冷水中的试管，擦掉试管外的水分，观察试管中是否有碘液体出现。3.分析实验现象，归纳实验结论，得出升华和凝华的概念及吸放热情况。（二）联系实际，寻找和分析生活中的升华和凝华现象1.说出生活中的升华和凝华现象。 2.观察对比新旧灯管，试着解释灯管壁变黑的原因。3.尝试解释“人造雪景”所包含的物理知识。4.提出问题，分小组讨论。问题一：冰箱中的霜是怎样形成的，采用什么办法可以减少霜的形成？问题二：霜的形成条件是气温0摄氏度以下，对农作物有害，如何防止？问题三：升华吸热凝华放热在日常生活中有哪些应用？（三）升华吸热凝华放热的应用1.介绍干冰（即固态的二氧化碳），猜想干冰在生产生活中的应用。2.查找资料关于人工降雨的过程，思考在云层中抛撒干冰为什么会促成降雨？ 在舞台上撒干冰制造白雾，思考在舞台上撒干冰为什么会出现白雾？3.想想议议：如果要给食品降温，你想到了哪些方法？严寒的早晨，窗户玻璃上的冰花，为什么总出现在室内的一面？三、达标反馈1 .寒冷的冬天，公园里冰雕作品的质量会一天一天的减少，这是_现象。2.寒冷的冬天，在室外行走的老爷爷眉毛胡子上都挂满了白霜，这是_现象。3.固态二氧化碳升华时能够热，所以常用它来使运输中的食品_，防止食品腐烂变质。4.冻肉出冷库后比进冷库时重，是由于空气的水蒸气_成霜着附在冻肉上，所以出库后会使重量稍有增加。5.在严冬温度较低的时候，窗上可以结冰花，这是水蒸气_现象。霜应结在玻璃的_（填：“内”或“外”）侧。 6.装有少量碘的烧瓶，在酒精灯上微微加热后，瓶内固态的碘消失，而充满了紫色的碘蒸气；停止加热，碘蒸气慢慢消失，烧瓶里出现碘粉末颗粒，这个现象说明( ) A.升华、凝华都要吸热B.升华、凝华都要放热 C.升华要吸热，凝华要放热D.升华要放热，凝华要吸热7.在歌舞晚会上，常用干冰产生的白雾来烘托气氛，舞台上形成的雾是（）A.干冰在常温下迅速升华形成的二氧化碳气体。B.干冰粉喷洒到舞台上，迅速升华降温，使空气中的水蒸气遇冷液化成小水珠来制造“白雾”以渲染气氛。 C.干冰在常温下迅速升华又凝华而形成的。D. 干冰使空气中的水蒸气液化形成的小水珠以及小水珠凝固形成的小冰粒。8.下列各组物态变化过程中需要吸热的是（）A.升华现象 B凝华现象 C.液化现象 D凝固现象9.金属在高温.低压下比较容易有固态直接变成气态,用此方法可以给照相机、望远镜及其他光学仪器的玻璃镜头进行真空度膜，即在真空环境下将金属或金属化合物加热，使它的蒸气喷到玻璃上，从而度上一层极薄的金属膜，这层膜可以改善镜头的光学性能。这层膜能度上去的原理是（）A.金属粘到玻璃镜头上的B金属熔化后粘到玻璃镜头上的C.金属升华后再凝华时附着在玻璃镜头上的D金属凝固到粘到玻璃镜头上的10.下面这首四季歌，每句属于哪一种物态变化？春暖花开冰雪消融，_ ; 夏日炎炎河水干涸，_秋意浓浓禾苗露珠，_ ; 寒冬腊月河水结冰_。物理阅读人体正常体温正常人体的直肠温度平均为37.3，接近于深部的血液温度。口腔温度比直肠温度低0.20.3，平均约为37。腋窝温度比口腔温度又低0.30.5，平均约为36.7。临床上一般采取从腋窝、口腔或直肠内测量体温的办法。热力学温度热力学温标是在热力学第二定律的基础上建立起来的最为科学的温标，过去也叫做开氏温标或绝对温标。由热力学温标定义的温度叫热力学温度。热力学温度的单位是开尔文，简称开，符号是K。热力学温度是以水的三相点来定义的，规定水的三相点的温度为273.16K。水的三相点是水、水蒸气和冰共存的状态。在标准大气压下，水的冰点实际上是水、冰、空气的一种混合状态，水的冰点的温度是273.15K，即冰点比水的三相点的温度低0.01K。摄氏温度以冰点为零度。热力学温度单位开尔文是国际单位制的七个基本单位之一。摄氏度也是国际单位制中的单位，摄氏度与开尔文所表示的温度间隔相等，摄氏温度t与热力学温度T的换算关系是tT273.15。物质有多少种状态自然界的各种物质都是由大量微观粒子构成的。当大量微观粒子在一定的压强和温度下相互聚集为一种稳定的状态时，就叫做“物质的一种状态”，简称为物态。在19世纪，人们还只能根据物质的宏观特征来区分物质的状态，那时还只知道有三种状态，即固态、液态和气态。初中讲物态变化，就是讲这三种常见的物质状态间的变化问题。气体物质处于高温条件下，原子、分子激烈碰撞被电离，或者气体物质被射线照射以后，原子被电离，整个气体含有足够数量的离子和带负电的电子，而且一般情况下正负电荷量几乎处处相等，这种聚集态叫等离子态。如果物质处于极高的压力作用下，例如压强超过大气压的140万倍，组成物质的所有原子的电子壳层都会被“挤破”，电子都变成为“公有”，原子失去了它原来的化学特征。这些“光身”的原子核在高压作用下会紧密地堆积起来（当然，再紧密也会有电子存在和活动的空隙），成为密度非常大的（大约是水的密度的3万至6.5万倍）状态，称为超固态。有些书籍把等离子态称为物质的第四态，把超固态称为物质的第五种状态。进一步从物质的内部结构去考虑，物态就远不止这几种了。例如，在固体物质中，有的其内部微观粒子呈周期性、对称性的规则排列，称为结晶态。而另外一些，如玻璃、沥青等物质，常温下虽然也有固定的形状和体积，不能流动，但其内部结构则更像液体，称为玻璃态（非晶体）。还有一些有机物质，能够流动，又具有某些晶体的光学特性，是介于液态和结晶态之间的状态，称为液晶态。很多物质在极低的温度下，会出现电阻消失的现象，称为超导态；在极低的温度下，某些液体的黏滞性会完全消失，叫做超流态。在巨大的压力下，平时是气体的氢，可以转变为具有金属特性的固态，称为金属氢态。天文学家发现，在宇宙中存在着比超固态密度更大的物质状态，例如组成中子星的中子态，还有密度更高的超子态、反常中子态、黑洞等等。由于反粒子，如反质子、反电子、反中子等都已被发现，有人预言在宇宙中会存在着全部由反粒子构成的反物质世界，但还没有得到证实。1998年6月3日，美国发射的航天飞机“发现者”号装载了一台磁谱仪，期望探测到宇宙空间中可能存在的反物质，其中一个关键部件是由中国科学院电工研究所制造的直径1200毫米、高800毫米、中心磁感强度为0.1340T的永久磁体。总之，从物质的内部结构去分析，物态的种类很多，并且随着科学技术的进步，人们对物质世界的认识会继续深入，更多的物态会被发现和被人所认识。有时同一种物质在某种温度和压力下，有几种不同的物态同时存在，例如水处于密闭的容器中，下部是水而上部是水蒸气，就是液态与气态共存的情形，其他还有固气两态共存、固液两态共存或固、液、气三态共存的情形。一般说来，任何一种物质，在温度、压强等发生变化时，都会呈现不同的物态，研究物态变化对于深入了解物质的结构及性质，对于研制新材料及新物质，都具有很大的现实意义。自然界里雨雪的形成，是很有代表性的物态变化过程。地面上的水蒸发成为水汽，升到高空与寒冷空气接触，水汽便凝结成小水滴，形成云。当温度下降，而又有凝聚核心的时候，就会凝结成大水滴下降而为雨。一滴雨点要比云中的小水滴大上几千倍，小水滴一定要在它的体积增加到很大时才会变成雨落下来。如果温度低于0，水汽在空中就可能形成雪。雪是结晶的水。水汽凝华而成的微小晶体叫水晶。当水晶在大气中随着气流上下翻腾，聚集起来变得足够大时，就成为雪花向地面飘落。雪花的形状多为六角形，也有针状、柱状或不规则形状的。某些雪花的直径可大于2.5厘米。雪花的大小取决于温度，温度越低，形成的雪花越小。由于构成雪片的结晶能反射光，所以雪片呈白色。当过冷水滴碰撞在冰晶（或雪花）上，则成霰，霰在积雨云中随着气流多次升降，不断与雪花、小水滴等合并，形成透明层与不透明层交替的冰块，落到地面，这就是雹。地表面上的空气中含有水汽，当水汽的含量达到饱和时凝结成水滴，这就是露，如果地表气温降到0以下时，则水汽直接凝结为固态，就是霜。升华和凝华我国古代的就已有人会利用升华和凝华的方法来提纯一些化学药品，所谓的“炼丹”就是一个例子。具体方法是：把天然的红色硫化汞放在炼丹鼎里煅烧，硫被氧化成二氧化硫，分离出金属汞；汞又和硫磺化合，生成黑色硫化汞，黑色硫化汞受热后升华，把它的蒸气收入一个容器中冷却凝华，就成了结晶的红色硫化汞。结晶的红色硫化汞可以说是人类最早通过化学方法制成的产品之一，也是我国古代“炼丹”活动中的一项重要成果。虽然炼丹家在炼丹活动中渗透了迷信的色彩，如把人造红色硫化汞叫做还丹，反复加热升华和凝华后，又叫做九转还丹，还说人吃了它长生不老。这是错误的、骗人的，应该摒弃，但是古代的“炼丹”活动，还是为人类积累了不少有用的知识，提供了一些化学药物。有趣的“永动鸭”商店里曾经出售过一种科学玩具“永动鸭”，只要你用手把鸭子的头部浸入水中，放开手后，鸭子就会上下摇动，摆动的幅度越来越大，最后它的头部又自动浸入水中，然后抬头重新摆动起来，因为只要开始时把鸭子的头往水里摁一下，以后鸭子长时间地活动不止，所以人们把它叫“永动鸭”。鸭子能够不停地活动的关键，就是装在鸭身里的乙醚和杯里的水在起作用。乙醚是一种非常容易蒸发的液体，它的蒸气充满了鸭头和腹部的空腔，当把鸭头摁进水里时，头部的绒布就被浸湿了，在鸭子不断摆动的过程中，水分蒸发吸收了热量，使鸭子头部的温度下降，玻璃管上部的乙醚气受冷收缩，压强降低了，鸭子肚内的乙醚开始上升，鸭子的重心也不断提高，摆动越来越厉害，最后鸭子失去平衡，头倒入水中。“饮”一次水，这时玻璃管的下端露出乙醚液面，头部的乙醚重新流回球形的鸭肚里，重心降低，鸭子抬起头来，又开始摆动如果杯子里放的是酒精，由于酒精的蒸发比水快得多，鸭子点头就会更加频繁，好像鸭子也喜欢喝酒似的。温度计的变革从五十万年前北京人用火到古腊哲学家亚里士多德提出土、水、空气、火四要素的学说，从古代炼金术的活动到近代科学的初始阶段，人们对热的研究从来没有超过定性的阶段，人们根据冷暖感觉说：“这是热的”，“那是冷的”，或者“这个比那个热”来表征物体热状态。如果要定量测定温度，首先必须找到某种可以测定的、随温度的变化而均匀地发生变化的量。最初，人们发现了多数物体的体积是这样变化的，这就是物体的热胀冷缩。伽利略头一个试图利用气体体积变化来探测温度变化。1603年，他在一盆水里倒竖起一根充满热空气的玻璃管，当管里的空气冷却到室温时，空气的体积缩小，便将水吸入管中，伽利略就这样制成了他的“验温器”。室温改变时，管里的水位也随着改变。如果房间变暖，玻璃管里的空气就膨胀，将水位压低；如果变冷，空气就收缩，使水位升高。这种“验温器”最大的缺点是：盆中的水面露在大气里，而大气压是经常变化的，因此，即使温度不变，气压的变化也会改变水位，从而影响温度测定的结果。这种温度计是第一种用玻璃制成的重要科学仪器。气体温度计对温度的测定，或是依靠气体在不变体积下的压力变化，或是依靠气体在不变压力下的体积变化。由于气体比其他物质在温度增加时更易于膨胀，因而气体温度计是很精确的。1654年，托斯卡纳大公费迪南德二世(Ferdinand)发明了一种不受大气压影响的温度计。这种温度计是在一个球泡上连接一段直管，球泡里封着液体。这种温度计利用液体本身的胀缩来反映出温度的高低。液体的体积随温度的变化比气体小得多，但由于使用相当大的球泡，并将它装满液体，这样，液体只能通过那根非常细的直管来胀、缩，因此，即使液体的总体积的变化很小，管中液面的升降还是很明显的。差不多与此同时，英国物理学家玻意耳(R.Boyce)也完成了基本相同的工作。他头一个发现，人体是有恒定的温度，并且明显高于通常室温。另外，还有人发现，某些物理现象总是在一定的温度下发生。到了17世纪末，人们已经知道冰的融解和水的沸腾都属于这类现象。在计温术上最早采用的液体是水和酒精，但由于水太早冻结，而酒精又太容易沸腾，1643年法国物理学家阿蒙顿(G.Amontons)便改用水银，他的测温装置与伽利略的相类似。液体温度计常用的液体有水银，染色酒精，甲苯和戊烷。1714年，德国物理学家华伦海特(G.D.Fahrenheit)将费迪南德和阿猛顿的温度计的优点结合起来，把水银封在玻璃管里，利用水银自身的热胀冷缩来指示温度。华伦海特还在玻璃管上刻上刻度，以便得到定量的温度读数。他将他的实验室所能得到的最低温度，即融化的冰和盐的混合物的温度定为零度，将纯水的冰点定为32，沸点定为212。这样定有两点好处：第一，水保持液态的温度范围是180，这好像是一个与“度”有关的自然数（正好是半圆的度数）；第二，人体的温度接近于整数100（华氏98.6）。这种刻度很快得到了普遍应用，目前在美国、英国和加拿大依然应用很广，因其刻度细，特别适宜于气象测量和体温测量等日常活动。人体的正常温度是恒定的。体温只要高出正常值一、二度，就是发烧，人就有明显的不适感。1858年，德国医生冯德利希(K.A.Wunderlich)采用了靠经常测定体温来诊断病情的方法。几年以后，英国医生阿尔伯特(T.C.Allbutt)发明了“体温计”。这种温度计在储存水银的细管里有一处狭道。体温计放在口里，水银柱就上升到实际温度处，但取出体温计后，水银柱并不下落，而是在狭道处断开，使狭道以上部分始终保持体温读数。1730年，法国博物学家列奥未尔(R.-A.F.deR抇eaumur)提议把水结冰到沸腾之间的距离分为80，这就是列氏温标。1742年，瑞典天文学家摄尔修(A.Celsius)把两者之间距离分为100，这种温标被称为“百分温标”，这种温标的度数称为“百分度”，科学家们在1948年的一次国际会议上，根据华氏温标的先例，把这种温标正式命名为“摄氏温标”，符号为，大多数国家都通用摄氏温标，特别是科学家们，他们觉得摄氏温标用起来方便。1848年，英国物理学家开尔文(L.Kelvin)根据卡诺（法、L.Carnot）的热理论创立了绝对温标，规定纯水的三相点（水，水蒸气和冰共存的状态）定为绝对温度273.16K，1个大气压时水的沸点为373.15K，1968年，国际度量衡委员会把开氏温标定为国际温标。现在通用的有三个温标：华氏温标(F)，摄氏温标()和开氏温标（K），F和的换算关系为=59（F-32）和F=（95）+32，K和的换算关系为K=+273和=K-273。随着温度的改变，金属的许多性质也会随着改变。如体积膨胀，电阻变化，产生的热电动势不同等。利用这些性质作为测量温度的基础可制成各式各样的温度计。双金属温度计是利用缠在一起的两种不同金属热膨胀的差异来移动温度刻度的指示器；利用导电物质的电阻随温度变化的特性，人们用铂丝制成铂比温度计，它的精确度很高，在903.89K到13.8K的温度范围内被取作“1968年国际实用温标”基准。工业用铂丝温度计的测量范围为0650，在科学研究中，可用来测量低到260，高到1100的温度。利用温差电偶，还可制成一种重要温度计。原理如图41所示，将构成温差电偶的两种金属A、B的一个接头放在待测的温度T中，A，B的另一端点都放在温度T0为已知的恒温物质（如冰水或大气中）。用两根同样材料C的导线将A、B在恒温槽中的一端联到电位差计的补偿电路中去，测量它的热电动势。根据事先标准的曲线或数据，即可知道待测温度T。图4-1用温差电偶测量温度有很多优点，可在2002000范围内使用，如测炼钢炉的高温和液态空气的低温，它的灵敏度和准确度很高（可达103以下），特别是铂-铑热电偶稳定性很高，常用来作为标准温度计；用热电偶能测量很小范围内的温度或微小热量，真空热电偶是一种探测光通量或辐射通量十分灵敏的器件。铂丝温度计和热电偶在测量高温或低温时，远比液体温度计优越得多。液体温度计根据所充液体的不同，液体温度计分为水银温度计、酒精温度计、甲苯温度计和煤油温度计。这些液体及其特性如下表所示。液体温度计中的工作液体是用来感觉温度变化的，所以对它有三个要求：一是液体存在的温度范围要宽，也就是说它的凝固点要低，沸点要高；二是体膨胀系数要大；三是液体要纯净，不沾污玻璃，不浸润玻璃。水银体膨胀系数虽小，但它的液态存在温度范围宽；不浸润玻璃（因而毛细管可做得很细，从而补偿了体膨胀系数小的缺点）；在0至200范围内体膨胀与温度成正比，因而能做成等分度刻度；水银容易制得纯净，而且水银导热快。在标准大气压下，水银沸点是356.58。沸点随压强增大而升高。水银温度计中水银柱上方充了气，它的测量范围可提高到750。水银温度计测不了-38.87以下的温度。为了测更低的温度，必须选用凝固点低的有机液体，如酒精、甲苯等。有机液体的膨胀系数大，能测量的温度低，如戊烷能测到-200。但有机液体容易沾湿玻璃，毛细现象严重，因而毛细管不能做得很细，否则读数很不方便，测量的精度也要降低。此外，有机液体的比热容大，传热慢。尽管如此，它们在低温范围内仍得到了广泛应用。体温计体温计为什么做成三棱柱形？为什么水银泡与上部连接处有一非常细的曲颈？为什么这些问题看起来简单，但回答起来却不那么容易，不弄清体温计的构造原理，就很难把问题说清楚。下面就谈谈有关体温计的几个问题。一、温度计的原理温度这一概念是建立在热力学第零定律的基础上的。所以温度计的测温原理就是：一切互为热平衡的热力学系统，都具有相同的温度。这样我们就可以选择适当的热力学系统做为温标。温度可以通过温标的某一随温度发生线性（可认定为线性）变化的参量（如体积、压强、电动势等等），标志出来，这就是温度计。温度计直接告诉我们的是它自身的温度。由于一切互为热平衡的热力学系统的温度相同，故温度计所测的温度间接地告诉我们待测系统的温度。这就是温度计的原理。二、体温计的原理与构造特点温度计的原理也就是体温计的基本原理。然而由于体温计的特殊用途，除了基本原理外，由于它的特殊构造，还涉及其他物理原理。1.体温计的构造特点体温计如图4-2所示，上边有3542的刻度，表示测温范围。上部长的一段为三棱柱体，玻璃层厚。中间为细管；下部较短。为水银泡，泡内装满水银。上、下两部之间经一弯曲的、非常细的通道直接连通。另外，在三棱柱的一个侧面上涂有乳白剂。2.构造特点的理论依据根据一定质量的液体体积随温度的变化规律为：V/V=t。其中，V为一定质量液体的体积；V为V的变化量；为液体体胀系数；t（）为温度的变化量。由于体温计中V不大，而又很小（=3a=34.110-6-1），因此，为比较准确的测出体温，则要求t的微小变化（相对而言），就能被比较明显的指示出来。又因为V=lS（只考虑上部细管中的水银体变）。l为上部水银柱长度的变化量，S为上部水银柱的截面积，所以，lS=Vt，即：l=(V/S)t。故，只要将上部细管做得足够细时，V/S就不很小。当t发生微小变化时，就能引起l的明显变化。由于l与t的线性关系，所以人体温度就通过体温计中的l的变化而比较明显、准确地显示出来。正因如此，体温计上部的管做的相当细。同时，也可看出lV，这样当V比较大时，仍能使l发生显著变化。所以下部水银泡的体积相当大。然而不宜太大，太大则使用不方便。这是其一。其二，上部的棱为什么是三棱又是圆柱面，且一个侧面涂成乳白色？在读数时，由于玻璃无色。水银灰呈银白色，但水银柱极细，颜色极难观察到，这就造成了读数困难。为了解决这个问题，把体温计上部做成截面为三角形、而侧面为圆柱面的柱体。这样，利用三棱柱的侧面把从水银柱反射出来的光线在玻璃与空气的交界处发生折射，并且放大，如图4-3所示。原来直径为AB的水银柱，经放大后看上去像AB那么大。这里圆柱面起到了凸透镜成虚像的作用。三棱柱的一个侧面涂上乳白剂，形成了屏，使从背面射入的光线不能透过。同时，使虚像容易观察到，这样读数既容易又准确。其三，为什么液泡与上部间由一极细的曲颈连接？曲颈所起的作用如下：当体温计离开人体后，温度下降（体温高于外界气温），液体收缩。由于泡内水银的收缩致使曲颈内的极少量水银被拉断。一旦断开，又由于水银与玻璃间的不润湿关系，断面处的水银柱分别向上下两部分收缩，如图4-4所示。当然，上部细管中的水银会向下压，但因附加压强的存在不能把上部的水银压下来。根据球形液柱两侧的压强公式可知：（如图4-5所示）pApB=2ar1,pApB=2ar2因为r1r2，pB=pB，所以pApA，因此，细端水银会自动向粗端移动，断开处不可能自行连接。基本上保证了体温计离开人体后，不因温度的下降而使水银柱下降。这样体温计指示的读数不变，给使用带来了方便。由上述也可知为什么使用体温计前，手握上部，液泡向下用力甩一甩。甩的目的是利用惯性使上部的水银下移，与泡内水银接触，以免上下不接触时测温不准。3.为什么液体用水银而不用酒精之类的物质？主要原因是酒精之类的液体与玻璃之间有浸润关系。在浸润的情况下，当体温计离开人体后温度下降时，虽然收缩，但不能使液柱断开。这样一来，读数不准，达不到既方便又准确的目的。要想测准体温，除非体温计不离开人体，这显然很不方便，故无人采用。热膨胀趣例钢轨的温度每升高1，它的长度就会伸长原来长度的10万分之一。钢轨在夏天炎日的照射下，温度可以达到4050，摸上去烫手；在严冬季节，钢轨的温度甚至降到-25以下。如果夏天和冬天温差为50，1000千米长的铁路线的钢轨的长度要相差500米。所以，铁路线上的钢轨一般并不是密接的，在铺设时每根钢轨之间都要留有一定的间隙。各种物质热胀冷缩的程度是不同的。例如铝线遇热，温度每升高1，长度会增长原长的一百万分之二十四，即增长0.000024倍，比钢的热胀冷缩程度大得多。如果沿1000千米的铁路线架设一条同样长的铝质输电线，在冬、夏温差为50时，铝线的长度会差1200米，所以夏天架设电线不能绷得太紧。按热膨胀程度由大到小排列，一些常用材料的热膨胀系数(即温度每升高1，长度变化为原长的倍数)为铝(0.000024)、铜(0.000019)、铁(0.000012)、钢(0.000011)、玻璃(0.000009)、铅化玻璃(0.000003)，像牙（接近零）。在工程技术中，必须根据对零部件热膨胀程度的限制，选用合适的材料。例如在福廷气压计中，指示水银液面的标记必须用长度几乎不受温度影响的象牙制作，以保证不同气温时读数的准确。温标及各种温标的介绍温标温度数值的表示方法叫做“温标”。为了定量地确定温度，对物体或系统温度给以具体的数量标志，各种各样温度计的数值都是由温标决定的。为量度物体或系统温度的高低对温度的零点和分度法所做的一种规定，是温度的单位制。建立一种温标，首先选取某种物质的某一随温度变化的属性，并规定测温属性随温度变化的关系；其次是选固定点，规定其温度数值；最后规定一种分度的方法。最早建立的温标是华氏温标、摄氏温标，这些温标统称为经验温标。它们的缺陷是温度读数与测温物质及测温属性有关，测同一热力学系统的温度，若使用摄氏温标标定的不同测温属性的温度计，其读数除固定点外，并不严格一致。经验温标现已废弃不用。为了统一温度的测量，温度的计量工作中采用理想气体温标为标准温标。规定温度与测温属性成正比关系，选水的三相点为固定点。在气体液化点以下及高温下理想气体温标不适用，由于氦的液化温度最低，因此氦温度计有它一定的优越性。国际单位制中采用的温标，是热力学温标。它的单位是开尔文，中文代号是开，国际代号是K。摄氏温标摄氏温标是经验温标之一，亦称“百分温标”。温度符号为t，单位是摄氏度，国际代号是。摄氏温标是以在一大气压下，纯水的冰点定为0。在一大气压下，沸点作为100，两个标准点之间分为100等分，每等分代表1。在温度计上刻100的基准点时，并不是把温度计的水银泡（或其他液体）插在沸腾的水里，而是将温度计悬在蒸汽里。实验表明只有纯净的水在正常情况下沸腾时，沸水的温度才同上面蒸汽温度一样。若水中有了杂质，溶解了别的物质，沸点即将升高，也就是说，要在比纯净水的沸点更高的温度下才会沸腾。如水中含有杂质，当水沸腾时，悬挂在蒸汽里的温度计上凝结的却是纯净的水，因此它的水银柱的指示跟纯净水的沸点相同。在给温度计定沸点时，避免水不纯的影响，应用悬挂温度计的方法。为了统一摄氏温标和热力学温标，1960年国际计量大会对摄氏温标予以新的定义，规定它应由热力学温标导出，即：t=T-273.15用摄氏度表示的温度差，也可用“开”表示，但应注意，由上式所定义的摄氏温标的零点与纯水的冰点并不严格相等，沸点也不严格等于100。华氏温标华氏温标是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用这种温标。规定在一大气压下水的冰点为32，沸点为212，两个标准点之间分为180等分，每等分代表1。华氏温度用字母表示。它的冰点为32，沸点是212，与摄氏温标两标准点相对应关系是100180=59，摄氏温度（）与华氏温度（F）之间的换算关系为：F=95+32，或=59(F-32)摄氏温标与华氏温标的各种温度计，在玻璃管中根据不同的用途，装有不同的液体（如煤油、酒精或水银），由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，而且不同的液体和温度的非线性关系彼此也不一样，由于测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废弃之列。热力学温标热力学温标亦称“开尔文温标”、“绝对温标”。它是建立在热力学第二定律基础上的一种和测温物质无关的理想温标。它完全不依赖测温物质的性质。1927年第七届国际计量大会曾采用为基本的温标。1960年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单位，简称“开”，用K表示。根据定义，1开等于水的三相点的热力学温度的1/273.16。由于水的三相点在摄氏温标上为0.01，所以0=273.15K。热力学温标的零点，即绝对零度，记为“0K”。热力学温标，按照国际规定是最基本的温标，它只是一种理想温标。理想气体温标由于在它所能确定的温度范围内等于热力学温标，所以往往用同一符号T代表这两种温标的温度。在理想气体温标可以实现的范围内，热力学温标可通过理想气体温标来实现。兰氏温标兰氏温标是美国工程界使用的一种温标。开氏温标以水的三相点为273.16K，兰氏温标以273.16K作为491.688R。它们都是从绝对零度起算，所以热力学温标又叫绝对温标。华氏温度tF与兰氏温度tR的关系是tF=tR-459.67。国际实用温标国际实用温标从准确与实用出发，在1927年第七届国际计量大会上决定采用国际温标。由于科学技术不断地发展，工业生产上的需要，国际温标不断修改，目前所采用的国际实用温标，是1968年国际计量委员会对1948年国际实用温标（1960年修正版）作了重要修改而建立的。1968年国际实用温标选取的方法，是根据它所测定的温度可紧密接近热力学温度，而其差值应在目前测定准确度的极限之内。1968年国际实用温标在国际实用开耳文温度和国际实用摄氏温度之间是用符号T68和t68来加以区分的。T68和t68之间的关系是：t68=T68-273.15。T68和t68的单位如在热力学温度T和摄氏温度t中一样仍为开尔文（符号K）和摄氏度（符号）。常用的换算公式是T=t+273.15。理想气体温标即用任何一种气体，无论定容还是定压所建立的一种温标，在气体压强趋于零时的极限温标称为“理想气体温标”。定义式为T=limT（p）=limT（V）。为统一温度的测量，在温度的计量工作中采用理想气体温标来实现热力学温标，测温属性是理想气体的压强或体积。规定温度与测温属性成正比关系，T（p）=ap，或T（V）=aV。选水的三相点为固定点，规定水的三相点温度为273.16K。饱和蒸气压为610.5帕，因此可以得到测温泡中气柱在水的三相点时的压强和体积。理想气体温标用气体温度计来实现，但读数与气体的个性无关。受气体共性限制，在气体液化点以下及高温下，理想气体温标不适用。由于氦的液化温度最低，且不易在金属（铂）中扩散，所以氦温度计，具有一定的优越条件。温度测量简史最早的温度计是意大利科学家伽利略于1593年发明的空气温度计，1612年又发明了液体温度计，误差比空气温度计要小得多。1709年荷兰物理学家华伦海特用酒精，在1714年用水银作为测温物质制造了比较精确的温度计。他把水、冰和海盐混合物的温度定为零度，把健康人的血液温度（正常体温）定为另一固定点，期间分为424=96等分，按照这种分法，水的冰点定为32，标准大气下水的沸点就是212，期间正好相差180。这就是现在所说的华氏温度，直到现在仍有不少国家使用。1742年，瑞典天文学家摄耳修斯创立了摄氏温度，这种温度我们非常熟悉。1848年英国科学家开尔文创立了开氏温标，由国际计量大会命名为热力学温标，这是至今为止最为科学的温标。1K=1，0K=-273所以摄氏温度与热力学温度T的关系是：T=t+273(K)。人体的真实温度研究表明，人体不同部位的温度是不同的。代表人体真实温度的是心脏和脑部的血液温度，叫基础温度或核心温度（core temperature），记作tc。这个温度无法临床测量。最接近基础温度的是人体内的肺动脉、膀胱内、食道内和鼓膜处的温度，可近似认为与基础温度相等，这叫局域温度。除了鼓膜外，在日常测量中也是很难测量的。在日常体温测量中，是测量人体口腔（即舌下）、直肠（肛门内）或腋下的温度，分别记作to、tr和ta。这些部位的温度容易测量，也相当稳定。但这些局部的温度都互不相同，而且与基础温度有较大的差别，不代表人体的真实温度。不同的人这些温度与基础温度的差别也是不同的。文献报道，口腔温度to平均比肺动脉温度低0.4，腋下温度ta平均比肺动脉温度低0.7。传统上人们习惯把口腔温度to作为体温的代表，或称为体温的参照温度，以to=37.0作为发烧与否的参照标准。当然也可以测量皮肤表面的温度（如额头温度）来作为体温参照温度，记作ts。但这样做太粗糙了。因为ts是不稳定、不确定的一个值，我们将在下面介绍皮肤表面红外温度计时再加以详细解释。不论我们测量哪一个部位的温度，他们与核心温度tc都有差别，这个温度差别是由人体生理因素形成的，叫做生理差别。温度测量仪温度测量仪表是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于1592年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32、沸点为212、中间分为180的水银温度计，即至今仍沿用的华氏温度计。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。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。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。有关温度计的介绍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。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-30150。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。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他技术部门。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。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。电阻温度计是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+a)式中R是的电阻，R0是0时的电阻，a是常数。比较精确的式子是：R=R0(1+a+b)式中b是第二个常数。电阻温度计在-2601200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。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200400之间；铁和康铜则被使用在2001000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。光测高温计是利用热源辐射的亮度和温度的关系来测量高温的仪器。当光测高温计对着熔铁炉时，从其望远镜（望远镜管内装一红色玻璃滤色镜及一个小灯泡）里看到灯泡的黑色灯丝及后面炉火的强光。灯丝和电源与可变电阻串接，调节可变电阻的阻值使适当的电流通过灯丝。直到灯丝的亮度与炉火的亮度相同时为止。如果事先在安培表上将已知温度值刻好，则由安培表的读数就可以直接读出温度的数值。测温时，不需将仪器与被测体接触，因此光测高温计，可用来测很多金属的熔点以上的温度。全辐射高温计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。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。贝克曼温度计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。簧片温度计是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。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。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。测温泡（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。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。温标是怎样定出来的我们知道，温度计可以用来测量物体的温度，但是温度计上表示温度的标准是怎样定出来的呢？首先定出温标的是德国物理学家华伦海特。他以冰的熔点和水的沸点这两个温度点作为基点，再以水银温度计来分度。在水银柱上，他把这两个温度点之间分成了180个小格，每一小格是1度，这就是华氏度，以表示。然而，他并没有把冰的熔点定为0，而是定成32，这样一来，水的沸点就是212了。现在，华氏温标仍然在英国、北美洲、大洋洲和南非等国家和地区使用。温标的第二个定法是1742年瑞典天文学家摄尔修斯提出来的，他所选用的温度计和两个温度点的基点与华伦海特的完全一样，也是冰的熔点和水的沸点，可是，摄尔修斯却把水银柱均匀地分成100格，每格就是1。他把冰的熔点定为0，这样，水的沸点就是100了。显然，摄氏温标使用起来比华氏温标方便。目前，世界上的大多数国家都使用这种温标。三种温度单位及其换算测量任何物理量都必须首先规定它的单位。测量长度以米为单位，测量时间以秒为单位，测量温度以度为单位。那么一度又是怎样定出来的呢？这是一个温度标准问题，要确定温度的标准，并不是那么简单的。首先需要解决两个基本问题，即要选取适当的固定点，再要选取合适的温度计并且进行等分刻度。1714年德国科学家华伦海特首先选用冰和绿化铵的混合物作为零点，以老式温度计来指示温度。后来他又选用了人们熟知的标准大气压下冰的熔点，定为32度，水的沸点定为212度，中间等分为180份，每一份就是1华氏度，这就是华氏温标，用表示。1742年，瑞典科学假摄尔修斯和他的助手斯托玛用同样的温度计，选取标准大气压下冰的熔点定为0度，水的沸点定为100度，中间等分为100份，每一份就是1摄氏度，这就是摄氏温标，用表示。1854年，英国物理学家开尔文指出，只要选定一个温度固定“水的三相点”，即水、冰、水蒸气三相共存的温度，温度值就会完全可以确定下来，这是因为另一个固定点“绝对零度”已经确定下来。把绝对零度到水的三相点温度等分为273.16份，每一份就是1开氏度，这就是开氏温标，用K表示。开始温标的分度间隔和摄氏温标的间隔是一致的。三种温度的换算关系：精确的测量表明：零摄氏度（冰点）比水的三相点低0.01度，所以摄氏温度和开氏温度之间的换算关系是：T=tc+273.15Ktc+273K。华氏温度和摄氏温度之间的换算关系是：tF=95tc+320F。三相点以及几种物质三相点的数据三相点三相点亦称“三态点”。一般指各种稳定的纯物质处于固态、液态、气态三个相（态）平衡共存时的状态，叫做该物质的“三相点”。该点具有确定的温度和压强。物态叫做“相”，通常物质是以三种形态存在，即固态、液态、气态，也可称为固相、液相、气相。物态的变比常叫做相变。或者说，在某一系统中，具有相同物理性质均匀的部分亦称为相。相与相间必有明显可分的界面。例如，食盐的水溶液是一相，若食盐水浓度大，有食盐晶体，即成为两相。水和食油混合，是两个液相并存，而不能成为一个相。又如水、冰和水蒸气三相共存时，其温度为273.16K（0.01），压强为6.106102帕。由于在三相点物质具有确定的温度，因此用三相点作为确定温标的固定点比选汽点和冰点具有优越性，所以三相点这个固定温度适于作为温标的基点，现在都以水的三相点的温度作为确定温标的固定点。几种物质三相点的数据 “下雪不冷化雪冷”人们常说：“下雪不冷化雪冷”，而对于这句话的真实含义却模糊不清。有不少人认为在下雪天，天气不冷，而化雪天，天气冷。其实这是一种错误认识。下雪时，小水珠要凝固成雪花，说明此时的气温低于零度；而化雪时，雪要融化成水，此时气温又必须高于零度。因此，下雪天，气温低；而化雪天，气温要高。现在让我们来看一下上句话的真实含义。这里所说的“下雪不冷”，是指下雪的过程中和刚要下雪时的气温相比较而言的。随着雪的不断形成，要不断放出凝固热，因此，下雪时比刚下雪前的气温要略高一点，这正是“下雪不冷”的真实含义。相反，在化雪的过程中，雪融化成水要吸收熔解热，因此，化雪过程中的气温比刚要化雪前的气温要略低一点，人们感觉较冷，这就是“化雪冷”的真实含义。晶体与非晶体的熔化和凝固图象晶体的熔化和凝固图