標籤:化學物理開爾文黃子卿

熱力學溫度是國際單位制中七個基本物理量之一,其單位開爾文(符號K)定義為水三相點熱力學溫度的1/273.16。可見,水三相點既是熱力學溫度的唯一基準點,也是1990年國際溫標(ITs一90)定義的最基本的、極其重要的固定點。

1引言

水的三相點圖

  水的三相點圖

水三相點是水的固、液、汽三相平衡共存時的溫度(圖l1,其值為273.16K (0.01℃)。它是在一個密封的裝有高純度水(水的同位素成分相當於海水)的玻璃容器—— 水三相點瓶內復現的。
水三相點瓶是各級計量檢定機構檢定基、標準鉑電阻溫度計、標準水銀溫度計零位的固定點裝置。因此,水三相點的正確復現、準確測量是1990年國際溫標(ITs一90)實施的關鍵。

2點瓶凍制溫度獲得

通用水三相點瓶主要用於測量鉑電阻溫度計在水三相點的電阻值RtpSH標準水銀溫度計的零位。
水三相點瓶的凍制方法有冰鹽混合物製冷法、乾冰製冷法、液氮製冷法等三種。
水的三相點瓶

  水的三相點瓶

乾冰製冷法
乾冰製冷法是將粉末狀的固體二氧化碳(乾冰)加入溫度計插管內,一直填到與水三相點瓶中的水面平齊,再加入少量酒精作為熱交換介質,並輕輕敲擊水三相點瓶外殼。當乾冰升華時,不斷地加入乾冰和按需要補充酒精,以增加熱交換。大約(1~2)h,可使溫度計插管周圍形成均勻冰套。此時,應停止往插管內加乾冰,待插管內的剩餘乾冰完全升華后,用經預冷的純凈水將插管內的酒精沖洗乾淨。

液氮製冷法

此法為目前最常用、凍制速度最快的方法。將冷源一一液氮緩慢地倒入溫度計插管內,從水三相點瓶插管底部開始,分層凍制到液面為止。凍制時, 由於液氮過冷(.196。C),凍結速度較快,凍結的冰套會開裂,發出「嚓嚓」的爆裂聲,透過管可觀察到環繞溫度計插管周圍有許多雲片狀裂紋,冰套可能呈豬大腸狀,厚薄不均勻。但只要適當控制液氮的注入量,同時將頂部扎有棉球的玻璃棒插入插管以限制液氮停留的部位,若上下拉動即可使冷源擴散,使整個冰套外表平滑,厚薄勻。冰套生成后,讓液氮全部揮發,然後用經預冷的純水把溫度計插管沖洗乾淨。最後,在插管中充入新鮮的、預冷過的蒸餾水,用橡皮塞子或棉花塞住插管口,並把水三相點瓶置於冰槽中的固定位置保存起來。

3黃子卿

溫度是熱力學的基本參數。1927年國際度量衡委員會選定水的冰點為熱力學溫標的基準點,定為273.15K。但是水的冰
黃子卿

  黃子卿

點是在1大氣壓下被空氣飽和的水的液—固平衡的溫度。它受外界大氣壓或進行測量的地理位置影響,並且與水被空氣飽和的狀況有關。因此科學界對它的重視性和精度提出過懷疑。當時物理化學界企圖並已開始測定水的三相點,即水在其飽和蒸氣壓力下氣—液—固三相成平衡的溫度,以代替冰點作為熱力學溫標的基準點。1934年黃子卿再度赴美國,在麻省理工學院隨熱力學名家比泰(J.A.Beattie)做熱力學溫標的實驗研究,重新測定水的三相點。
因為當時水的冰點被認為是熱力學溫標的定點,所以測定水的三相點就需要測量水的三相點室與冰室溫度之差。為此需要得到精確的水的冰室的固液平衡溫度。黃子卿仔細計算大氣壓力及水液面高度產生的附加壓力對冰室平衡溫度的影響;測量水樣的電導,折算為鹽濃度,按稀溶液的依數性,估算雜質造成的水的凝固點的降低;在嚴格固定條件下,以空氣飽和水樣。這樣,達到冰室溫度的精度為0.5×10-4℃。黃子卿嚴格處理水的三相點室。精選三相點室材料並嚴格清洗;水樣嚴格純化去CO2;測量三相點室水樣的電導估算雜質對平衡溫度的影響;並且對水面高度產生的附加壓力的影響加以校正。他採用當時能達到的精確測溫手段,並對體系採取嚴格的隔熱防輻射措施。由此黃子卿得到水的三相點為0.00980±0.00005℃。這一結果被美國華盛頓哲學會主席斯蒂姆遜(H·F·Stimson)推崇為水的三相點的可靠數據之一,成為1948年國際實用溫標(IPTS-1948)選擇基準點——水的三相點的參照數據之一。這項工作成為黃子卿博士論文的一個部分。
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