定容氣體溫度計

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介紹

定容氣體溫度計的工作原理基於熱力學。讓我們來了解一下。

• 溫度計最好的例子就是熱力學第零定律。定容氣體溫度計至關重要，因為其他溫度計都是用它來校準的。

• 一個定容氣體溫度計通常由一個充滿一定體積稀薄氣體的球泡和一個連線的水銀壓力計組成。壓力計用於測量壓力的變化。

• 根據蓋-呂薩克定律，理想氣體的壓力與其溫度成正比。同樣，溫度下降，壓力也會相應下降。

溫度與溫度計

• 測量溫度的儀器稱為溫度計。它可以測量食物以及其他固體、液體和氣體（包括空氣）的溫度。三種最常用的溫度單位是攝氏度、華氏度和開爾文。

• 攝氏溫標屬於公制系統。公制系統還包括長度和質量單位。世界上幾乎所有國家都使用公制系統作為官方計量單位，其中包括攝氏度。

• 在大多數科學領域中，都使用攝氏溫標來測量溫度。水的冰點為零攝氏度，沸點為一百攝氏度。

• 在記錄極其精確的溫度時，物理學家和其他科學家使用開爾文溫標。開爾文溫標包含“絕對零度”的溫度，也就是完全沒有熱能的溫度，這是唯一包含此溫度的計量單位。

• 因此，科學家們根據開爾文溫標來確定太空寒冷深處物體的溫度。水的冰點為273開爾文，沸點為373開爾文。

• 由於開爾文溫標使用如此大的數字，例如一個75華氏度（約24攝氏度）的日子，讀數為297開爾文，所以我們不會用這種方式測量室外的溫度。

測溫液體的特性

• 能夠根據環境溫度改變體積的液體稱為測溫液體。換句話說，溫度計透過使用測溫液體來測量溫度。

• 酒精和水銀都是常見的測溫液體。在使用範圍內，它們不應結冰或沸騰。

• 它不應腐蝕容器。如果溫度計破損，它不應有毒或危險。水銀和酒精是兩種液體溫度計。

• 液體溫度計包含一種液體，例如酒精，用於測量溫度。它用於測量水銀溫度計無效的地方的溫度。

理想氣體方程

• 在低壓和高溫範圍內，當氣體分子幾乎不相互依賴地運動時，氣體的體積V、壓力P和溫度T之間的關係稱為理想氣體定律，也稱為完全氣體定律。

• 在這種情況下，理想氣體定律（也稱為狀態方程）適用於所有氣體：PV等於nRT，其中n是氣體的摩爾數，R是普適氣體常數。

$$PV=nRT$$

• 可以使用理想氣體定律來確定產生或消耗的氣體體積。

• 汽車安全氣囊的工作原理符合理想氣體定律。氣囊被啟用後，各種氣體立即充滿氣囊內部，使其膨脹。疊氮化鈉和硝酸鉀之間的反應使安全氣囊充滿氮氣。

定容氣體溫度計

• 定容氣體溫度計透過改變氣管內氣體的壓力來顯示溫度變化。氣管內氣體的體積是固定的。

• 因此，必須將裝置連線到一個定容溫度計來測量溫度變化。這種溫度計有兩個臂，它們封閉在一個柔性管中。

• 必須使臂中的水銀保持在一定水平，以保持其中一個臂中的水銀液麵恆定。透過物理地上下移動裝有水銀的另一個管子，可以保持管內水銀液麵恆定。

• 在一個管子中觀察到的壓力變化以及兩個管子中水銀液麵的變化，都表明氣管內氣體溫度值的任何變化。透過將氣管內的氣體保持在三相點水溫度，我們可以校準這個溫度計。

原理

• 定容氣體溫度計的工作原理是基於蓋-呂薩克定律。根據該定律，理想氣體的壓力與其溫度成正比。

• 同樣，壓力也隨溫度的降低而降低。定容氣體溫度計透過測量在保持體積不變的情況下，壓力隨溫度變化來測量溫度的升高。

用途

使用定容氣體溫度計計算系統的溫度變化。它有一個裝有固定體積氣體的管子，其熱力學特性之一是壓力隨溫度變化。

蓋-呂薩克定律

• 蓋-呂薩克定律是一個氣體定律，它指出氣體的壓力（在保持體積和質量不變的情況下）與其絕對溫度成正比。

• 換句話說，即使氣體的質量是固定的，並且體積是恆定的，氣體的壓力也與其溫度成正比。

• 法國科學家約瑟夫·蓋-呂薩克於1808年提出了這個定律。蓋-呂薩克定律可以用以下數學表示式表示：

$$ \frac{P}{T} = 常數 $$

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

其中：

$$ P_1 = 初始壓力 $$

$$ P_2 = 最終壓力 $$

$$ T_1 = 初始溫度 $$

$$ T_2 = 最終溫度 $$

結論

定容氣體溫度計是一種用於測量壓力變化的溫度計。在這種溫度計中，連線到壓力計裝置的球泡中填充的氣體體積是固定的。由於唯一變化的屬性是溫度和壓力，因此它遵循蓋-呂薩克定律，其中壓力與溫度成正比。這種溫度計的優點在於它可以提供精確的結果。

常見問題

Q1. 蓋-呂薩克定律有什麼意義？

A1. 這個氣體定律的意義在於它表明氣體溫度的升高會導致其壓力的相應升高（保持體積不變）。類似地，降低溫度會導致壓力的相應降低。

Q2. 定容氣體溫度計的溫度範圍是多少？

A2. 使用氦定容氣體溫度計獲得的熱力學溫度標度測量溫度範圍為-183°C至100°C。

Q3. 溫度計的型別有哪些？

A3. 主要有兩種型別的溫度計：實驗室溫度計和臨床溫度計。

Q4. 定容氣體溫度計的精度如何？

A4. 定容氣體溫度計可以在很寬的數值範圍內進行可靠的測量。正如我們所看到的，定容氣體溫度計充滿了理想氣體，這隻有在高溫和低壓下才能實現，在這種情況下，幾乎沒有分子間相互作用。

Q5. 查理定律在現實生活中的應用是什麼？

A5. 查理定律的實際應用在我們的廚房也很明顯。當面包和蛋糕發酵時，使用酵母來創造柔軟、易彎曲的質地。當面包和蛋糕在高溫下烘烤時，二氧化碳氣體膨脹。