談?wù)劅釋W(xué)計(jì)量的一些問題

摘 要：熱學(xué)量是指包含復(fù)現(xiàn)，測(cè)量，表征物體的冷熱程度，物體系熱平衡狀態(tài)，包括溫度，熱傳導(dǎo)，溶解熱，熱膨脹，燃燒熱等，因此在熱學(xué)計(jì)量中應(yīng)注意一些問題，以保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：熱學(xué)計(jì)量；比熱容；熱傳導(dǎo)；熱膨脹；燃燒熱；溶解熱

中圖分類號(hào)：TB94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）14-0303-02

1 比熱容

熱容的標(biāo)準(zhǔn)定義是：“當(dāng)某物質(zhì)由于增加微小的熱量dQ而溫度升高dT時(shí)，這個(gè)量即是該系統(tǒng)的熱容?！保℅B3102.4-93），通常以符號(hào)C表示，單位J/K。比熱容是指當(dāng)單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收或放出熱量引起溫度升高或降低時(shí)，溫度每升高1K所吸收的熱量或每降低1K所放出的熱量，通常以符號(hào)Cm表示，單位J/kg·K。計(jì)算公式如下：

比熱容是物質(zhì)的一種特性，不同的物質(zhì)具有不同的比熱容。比熱容具有以下性質(zhì)，同一物質(zhì)的比熱一般不隨質(zhì)量、形狀的變化而變化。同一物質(zhì)在同種狀態(tài)下比熱容的值是一定的。當(dāng)溫度改變時(shí)，比熱容也會(huì)發(fā)生改變，但通常變化是非常小的，而且比熱值還與物態(tài)有關(guān)。比熱容表中所給的比熱數(shù)值，是物質(zhì)在常溫下測(cè)得的平均值，所以在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中我們要在常溫下進(jìn)行測(cè)試，然后與比熱容表中的相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

比熱容是很多領(lǐng)域都需要研究的熱學(xué)量，如物理學(xué)，化學(xué)，工程設(shè)計(jì)等。在物理學(xué)科中，研究晶格，電子的比熱容是為了研究物體的微觀形態(tài)，從而更好地研究它們的性質(zhì)，使固體物理學(xué)不斷發(fā)展。在熱化學(xué)的領(lǐng)域里，只有測(cè)出熱容，才能求出平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系曲線，化學(xué)反應(yīng)隨溫度的改變，以及標(biāo)準(zhǔn)熵的計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)中研究比熱容是為了更加合理使用材料，熱容數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更是關(guān)乎一個(gè)工程設(shè)計(jì)是否能夠成功。另外，研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，相變，都需要熱容數(shù)據(jù)。所以說熱容的數(shù)據(jù)具有非常重要的用途。

在熱容的計(jì)量中，以前是以正庚烷，α-三氟化二鋁和苯甲酸作為熱容和比熱容的標(biāo)準(zhǔn)參考物?，F(xiàn)在20開以下主要是用銅作為標(biāo)準(zhǔn)參考物。并以標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的熱容，作為熱容的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在計(jì)量機(jī)構(gòu)的主要研究方向是：既要在測(cè)出熱容的基礎(chǔ)上，建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，又要為其找到合適的標(biāo)準(zhǔn)參考物，建立一套完整的體系。還要不斷的提高機(jī)器的精度與靈敏度，使熱容的溫度范圍不斷擴(kuò)大，為企業(yè)或部門及時(shí)更新數(shù)據(jù)。

2 熱傳導(dǎo)

當(dāng)有溫差存在時(shí)，熱量從溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式叫熱傳導(dǎo)。常用傅里葉定律來表達(dá)：Q=-，“-”號(hào)表示導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)得出的，固體的導(dǎo)熱系數(shù)最大，液體次之，氣體最低。A表示橫截面的面積，dt/dx表示溫度梯度。公式的含義表示導(dǎo)熱體單位面積上得到的熱量，在數(shù)值上與該面積上溫度成正比，與方向成反比。傅里葉定律適用于任何幾何形狀的物體，適用于特定的時(shí)間，特定地點(diǎn)的局部值，適用于各向同性的介質(zhì)。

導(dǎo)熱率的影響因素有電壓，電流，溫差，橫截面積等，電壓，電流越大時(shí)，吸收的熱量越大。在測(cè)量導(dǎo)熱率時(shí)，還要考慮物體因?yàn)闇囟鹊淖兓?，而引起的熱脹冷縮的問題，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。導(dǎo)熱一般發(fā)生在固體與固體之間，也可以發(fā)生在固體與液體，固體與氣體之間，純導(dǎo)熱發(fā)生在固體與固體之間。材料間的熱傳導(dǎo)主要通過材料晶格的熱振動(dòng)波以及自由電子遷移來實(shí)現(xiàn)的。熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)是必須有溫差，物體直接接觸，不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移，依靠分子，原子及電子的熱運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行傳熱。熱傳遞的方式主要有三類：①通過材料的晶格熱振動(dòng)波，這類方式主要包括沒有導(dǎo)電性只有絕緣性的絕緣體，如橡膠，塑料等。②依靠自由電子的遷移來實(shí)現(xiàn)熱傳遞的金屬，包括鐵，銅等導(dǎo)電材料。③既包含了晶格的熱振動(dòng)波又有電子的遷移的合金或不良導(dǎo)體。熱傳導(dǎo)的現(xiàn)象主要通過聲子來研究的，聲子即晶格振動(dòng)中的能量子，其傳遞能量過程和光子傳遞能量一樣。研究熱傳導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)可以更好的了解材料的導(dǎo)熱性能，從而能更好地，合理地應(yīng)用材料。

熱傳導(dǎo)率可以顯示材料在不同溫度范圍內(nèi)的特性，因此熱傳導(dǎo)在工業(yè)上有很多的應(yīng)用。如橡膠的加熱硫化、鋼的熱處理等。在窯爐、傳熱設(shè)備和熱絕緣的設(shè)計(jì)計(jì)算及催化劑顆粒的溫度分布分析中，熱傳導(dǎo)規(guī)律都占有重要地位。在高溫高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)中，也需用熱傳導(dǎo)規(guī)律來計(jì)算設(shè)備各傳熱間壁內(nèi)的溫度分布，以便進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

在計(jì)量學(xué)中，為了建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使熱傳導(dǎo)率的量值達(dá)到統(tǒng)一，要充分測(cè)量各個(gè)物體的熱傳導(dǎo)率，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前雖有國(guó)家已經(jīng)在用標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)，但國(guó)際上并未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以在熱傳導(dǎo)方面，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)仍是研究的重點(diǎn)。

3 熱膨脹

熱膨脹也是材料的性質(zhì)之一，熱膨脹是指壓力保持不變時(shí)，由于溫度的改變，造成固體、液體和氣體發(fā)生長(zhǎng)度或體積變化的現(xiàn)象。膨脹的程度通常用膨脹系數(shù)表示。膨脹系數(shù)是指固態(tài)物質(zhì)當(dāng)溫度改變攝氏度1度時(shí)，其長(zhǎng)度的變化和它在0℃時(shí)的長(zhǎng)度的比值。膨脹系數(shù)的影響因素有，材料的性質(zhì)，溫差等。金屬，液體都會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，不同的材料由于晶格和電子對(duì)熱膨脹的作用不同，所以不同材料的熱膨脹的表現(xiàn)也是不一樣的。在研究材料的熱膨脹原理中竟然有負(fù)的膨脹系數(shù)，即出現(xiàn)反膨脹。而且，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)幾乎為0，這為材料熱膨脹的研究提供了新方向。

在工程設(shè)計(jì)中，材料的熱膨脹是必須考慮的因素，而膨脹系數(shù)正是熱膨脹的重要影響因素。研究材料在不同溫度的膨脹系數(shù)可以為工程設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考依據(jù)。目前熱膨脹系數(shù)的測(cè)試方法主要有，千分表法，光學(xué)機(jī)械法，電磁感性熱機(jī)械法，TMA靜態(tài)熱機(jī)械分析法等，其中TMA靜態(tài)熱機(jī)械分析法的測(cè)試最精確。

在計(jì)量技術(shù)中，熱膨脹也需要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以也要有標(biāo)準(zhǔn)參考材料。但是由于測(cè)量方法的局限性，即使是同一種材料在不同資料中的數(shù)據(jù)也是不一樣的。所以為解決這一問題，各部門的主要任務(wù)就是統(tǒng)一熱膨脹的測(cè)量方法，并做出一套完整的體系，以滿足工程和其他部門的需要。

4 溶解熱

溶解熱是指在一定溫度及壓力下（通常是溫度為298K，壓力為101kPa的標(biāo)準(zhǔn)狀況），1摩爾的溶質(zhì)溶解在大體積的溶劑時(shí)所發(fā)出或吸收的熱量。在不同的溶劑中，溶解熱是不一樣的。在相同溶劑，不同的溶質(zhì)，溶解熱也是不同的。

溶解熱也是指在特定的條件下，一定量的溶質(zhì)在一定量的溶劑中產(chǎn)生的熱效應(yīng)。影響因素主要有溫度，壓力，溶劑量和溶質(zhì)量。溫度和壓力越大往往溶解熱越大。溶解熱分為微分溶解熱和積分溶解熱。積分溶解熱是指1摩爾溶質(zhì)在1摩爾溶劑中產(chǎn)生的熱效應(yīng)。溶解微分熱是指一定濃度的溶解熱。習(xí)慣上使用微分熱，但用量熱器測(cè)量的往往是積分熱，所以可根據(jù)作圖法在求得微分熱。

溶解熱在化工生產(chǎn)中具有重要的指導(dǎo)意義，根據(jù)不同的溶解熱配備合理的化學(xué)成分，以及選擇合適的生產(chǎn)器具。所以在計(jì)量技術(shù)中，應(yīng)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)參考材料，建立溶解熱的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以供技術(shù)員或工人參考查閱。

5 燃燒熱

燃燒熱是指物質(zhì)與氧氣進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)時(shí)所放出的熱量。通常用單位物質(zhì)的量，單位質(zhì)量或單位體積的燃料燃燒時(shí)放出的能量計(jì)算。規(guī)定壓強(qiáng)101kPa，如果壓強(qiáng)不定，則測(cè)出的熱數(shù)值也是不一樣的，而且材料必須是完全燃燒，否則不能稱為燃燒熱。燃燒熱在工業(yè)生產(chǎn)和化工方面也有重要的用途。在工業(yè)生產(chǎn)方面根據(jù)材料不同的燃燒熱，再根據(jù)生產(chǎn)的需要，從而選擇不同的燃料。在化工方面，可以根據(jù)燃燒熱來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變。目前，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)有了一些物質(zhì)的燃燒熱，所以技術(shù)部門的主要工作是：研究更多物質(zhì)的燃燒熱，使國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)更加完善。

6 結(jié)束語

熱學(xué)的計(jì)量無論在物理學(xué)，還是化學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)方面，都是非常重要的，我們要重視在計(jì)量中出現(xiàn)的問題，并著重解決，以使熱學(xué)的計(jì)量更加標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]J.Moore，D.Mcecray and R.S.Craves Thermal Conductivity and Electrical Resistivity of High-purity Copper from 78 to 400Kn.Can.J.ofphys.Vol.45，3840～3853（2012）.

[2]劉永東，費(fèi)業(yè)泰.零件材料精確熱膨脹系數(shù)的測(cè)定[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2012（03）.

收稿日期：2018-4-13