冻干技术基础知识⑵

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冻干技术基础知识⑵

上海东富龙科技有限公司 张耀平

7 V; W, v2 p/ p

第二节  热和温度

, e, y1 G" z# `2 G4 G热是物质运动的形式之一。任何物质都是由许许多多的分子所组成，而这些分子都在不停地作无规则的运动，我们称之为热运动。而这些无规则运动的分子所具有的能就叫做热能。
热能的大小用温度来表示。温度越高，分子运动越剧烈，物体的热能也就越多；温度低，分子运动就缓慢，物体的热能就少。温度就是表示物体热或冷的程度，热和冷是相对的，它们都是表示物体所含热能的多少。增加物体的热能叫做加热；移去物体的热能叫做制冷。
温度常用摄氏和华氏二种温标来表示。
1 k, D1 b! K0 G/ a+ Z摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为0℃。水的沸点为100℃。在0～100之间分成100等分，每一等分叫1℃。这种温标就叫做摄氏温标，用符号℃表示。
1 B9 {5 `3 d4 I7 I, b华氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为32。水的沸点为212，在32～212之间分成180等分，每一等分叫1°F。这种温标就叫做华氏温标，用符号°F表示。
华氏和摄氏可用下面的公式进行换：
华氏换摄氏：℃=5/9×（°F－32）
- ~: f2 C: g& J1 O另外还有一种温标叫做开氏温标，以摄氏零下273.15度作为零度，也就是开氏零度等于摄氏零下273.15℃。开氏温标用符号°K表示，开氏温标也叫绝对温标；开氏零度即零下273.15℃，也叫做绝对零度。绝对零度是达不到的。
. \8 m+ ?+ g; w+ j温度只能表示物体冷或热的程度。温度高或温度低，不能从数量上来表示物体热能的多少。因此就有热量的概念。物体吸收或放出热能的多少叫做热量。计算热量的单位是卡（cal）或千卡（kcal），千卡又叫大卡，1大卡（kcal）=1000卡（cal）。卡（cal）的单位是这样规定的：把1g水的温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量规定为1卡（cal）。
还有一种热量叫做英热单位，它是这样规定的：把1磅水的温度升高或降低1°F所吸收或放出的热量规定为1个英热单位（BTU）。1英热单位（BTU）=252卡（cal）。
质量相同的不同物质温度升高1℃时所需要的热量是不相同的，我们把单位质量的某种物质温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量，叫做这种物质的比热。单位是卡/克·度（cal/g·℃），读作每克每度卡。一些物质的比热见表五。
表五  一些物质的比热(cal/g·℃)

2 U0 E7 b" ?) U: i2 g) E+ h

1 d+ X9 {9 E3 c# k/ J+ i, i# X. u9 G
; r- k$ [' D$ R3 s4 M6 {- I物质名称
5 i) V5 ^% z5 ]$ J5 |
比热

物质名称

比热
; @- r& N! L4 f. w4 a- k
" x( D& Q' Q: H/ T3 I4 w- S! o, E
  水

3 m: `  w" Y( g. O5 ~& w% p  1

( F% {1 T, U" ^3 u7 E/ Z# M6 a  铜
7 h6 U2 S; Y/ \# T0 f
  0.091


# D$ P1 U5 z7 a9 F- D  冰

  0.43

7 j& R3 _0 a  G* \' N  钢铁

  0.11

+ B* u! N+ J1 p. j/ r
  水蒸汽

0 o2 |! M8 S& k6 H7 x  0.45
* [4 d% O' z$ C& n6 }
  铝
6 }# t) X, _/ D6 q$ n# y
9 ]0 V+ t. y, [, r3 ]) \  0.21
! y7 R. z- I* n$ o2 C  R1 V

  R12

3 \/ T6 c+ `  T- o! r7 [$ s# _0 `0 ]  0.225
/ |1 i0 E; N9 H/ i7 V+ s
1 a+ p, Y* X, z9 g" C: C  水银
- v8 e: _) \0 ~( A: M, z
  0.033

4 ?% _; j$ j: L. e5 j3 O
5 U: n4 q- }/ [: ]4 H* b6 P5 v  氨
& \- W' @- Y4 F5 k4 v: e# J# X/ \
  0.52

( f$ q, r% |6 k1 W  玻璃
) s( e# v1 @% b! N1 |9 e8 l. j( j
/ {3 z& s- \% G$ ]. o$ c  0.20
- Z) z  }0 Q2 y/ z: O# X
! a! d# v& v6 {& P( W6 A/ p" ^
  空气

# B' E/ @& ^- y3 Y: M% l  0.24
$ a0 n* \" |7 ?8 p8 p! i! ^
; c  @% H4 J+ |6 Y& v. U' k  酒精
  Y: Z% G/ D* G* c+ P
$ G% N/ x" H# q; f' |  0.58
: R; d0 U* E8 F3 U. P8 f热量能通过传导、对流、辐射三种方式进行传递。
⒈传导：在受热不均匀的物体中，热从高温处依靠物体的分子逐渐传到低温处的现象，称为热的传导。这种方式的热交换一直进行到整个物体的温度相等为止。传导在固体、液体和气体之间均能发生，传导作用必须要使物体相互接触才能完成。
9 P" W! y5 C# r) _2 z+ y所有的金属是传热的良导体，非金属是热的不良导体。物质传导热的能力可用导热系数来表示。导热系数是热的传导作用在1平方厘米cm2截面上1秒钟内温差为1℃时通过长度1厘米的热量卡数。单位：卡/厘米·度·秒（cal/cm·℃·s）。一些物质的导热系数见表六。
3 ^, Z2 [% b$ I表六 一些物质的导热系数(cal/cm·℃·s)

) p" h! y3 b  n* c7 X; s3 k8 D( _


物质名称

, c7 Z6 ~. g8 z  x2 U$ c导热系数
" I% ^% x8 g; r# S+ t% r
" G  J( Q! U% h+ k5 ^物质名称

导热系数
! r- b0 X) L# ~- ?2 F( Q- b" @

9 d% z* n, J# t! e) s' T  银
6 k6 {7 {; a5 Z$ u* j8 Z: o
  0.97
3 e; |' P  E6 Y# K" y  Q1 x' a
  玻璃

  0.0014～0.0018


9 d, D3 H; ]7 w7 i- O: d4 U1 k  铜

  0.92
& W( W% m0 q7 |, y& Q
  水

, r7 e' z8 l7 L- j3 p6 n  m' \, N  0.00142

0 q% H9 o/ r# @4 a
  铝

  0.50
- x2 E9 e7 K5 i; O) S# r2 W! T
% a9 r) c/ j- g8 M4 k8 B6 R  冰
' `4 Y' @( b  P! w$ v
) ]- r- A. V- r* ]; Q! L  0.0055
$ D2 X8 i6 q3 |4 U3 y
0 E9 {& P1 ]5 w; N
  钨
# q6 R1 e/ D6 ~9 L
& Z- h+ D5 {, q6 O  0.48

  空气

( }8 ]# G* S8 {  U6 w+ d  B  0.000057

) Z' ]8 t4 ?7 }+ j1 a5 f0 F
) n! k+ S7 f. N4 [4 z0 [  铁

; `& ?( F; n# |+ ^  0.16
  n7 R0 `1 \7 A2 \0 I* K
  t8 p) W3 v7 v  棉花

  s$ v  v0 w: ?9 k$ @# }  0.00014
5 L- c, I/ E  k  G) f% T⒉对流：在液体或气体包括蒸汽中，热量靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方式称为对流。含热的液体或气体，体积因热而膨胀，密度减少，于是因重量减轻而上升，其周围冷的部份就被补充其原来地位，形成了对流。热的对流只发生在液体或气体中，而且必与传导同时发生。
( I2 D8 o" b+ Y! D- l" D& o2 \- e8 h: V⒊辐射：高温热源通过空间射向低温物体，使低温物体受热升温，这种热量的传递方式叫做辐射。热辐射与光相似，它以直线方式进行，可以在真空中传播；辐射可以通过空气和玻璃等透明介质，而这些透明介质本身吸热极少。表面黑、粗糙的物体善于吸收热；表面白亮光滑的物体不善于吸收热和辐射热，但善于反射热。
. a8 p) t; Y- [# I6 s7 t, x7 {事实上，热量传递的三种方式并非单独进行，而是一种方式伴随着另一种方式同时进行，或者是三种方式同时进行的。
; _2 _8 ]4 v! r: ]) @8 G9 r  k, l' \0 t为了衡量物体温度高低的程度，就需要对温度进行测量，温度的测量是利用温度计来完成的。常见的温度计有液体温度计、压力式温度计、双金属温度计、热电偶、热电阻和热敏电阻等。
液体温度计是利用了某些液体的热胀冷缩原理制成的，它封灌在一根细长的玻璃管中，一端有一个膨大部分，以容纳工作液体。常用的液体有酒精、煤油、水银等。
. v$ Y) w5 \! q3 P: U8 }& f& o压力式温度计是利用了某些气体的热胀冷缩原理制成的，它实际上是一块刻有温度读数的压力表，压力表通过一根毛细管与一个感温包相连，温度高低的变化引起了压力表压力的变化，根据读数便测知了温度的高低。
双金属温度计是利用了二种不同金属的不同热膨胀系数原理制成的，双金属片卷成螺旋形。当温度变化时，引起了双金属片的运动，从而带动指针指示出了温度。
热电偶是利用不同的金属丝一端焊接在一起时，在它们的二个游离端会随温度的变化而产生不同的电动势，测量这个电动势的大小便知道温度的高低。
' H8 H: h5 l2 u2 s+ o热电阻是利用了金属丝的电阻温度系数原理制成的。一定长度的金属丝，当温度升高时电阻增加，温度降低时电阻下降。利用惠斯顿电桥能测知温度的高低。
7 I. D' P- R5 c1 ?& N热电阻一般用铂丝制作，因此又称铂热电阻。
; g: r. y! k1 j6 E利用铂电阻测量温度的原理如图二所示，在电桥的AB端接入电源，CD端接上电流表，假设Rt处于0℃，其阻值为100Ω，调整电阻R调在100Ω，这时Rt=R，电桥处于平衡状态，CD两端无电压，电流表无读数。当热电阻Rt温度增加或减少时，则R的电阻也增加或减少，于是Rt≠R，电桥不平衡，CD两端有电压输出，电流表有读数，这个读数就反映了温度的变化，刻上温度便成为温度计。
4 q! S, w0 F, l7 \9 `实际的测量电路比图二要复杂得多，把输出的信号通过适当转换可以直接由数字显示器进行温度的直接显示。改变电路的设计可以进行温度的调节和控制。
热敏电阻是利用了一种半导体材料，其导电性能随温度而变化，其测量温度的原理同热电阻相同。