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热物理学

温度与温标

在摄氏、开尔文与华氏三种温标上读出同一温度;验证换算公式 T(K)=t+273,15T(\mathrm K)=t+273{,}15 与 tF=95t+32t_F=\tfrac95 t+32。用摄氏滑块观察冰点–沸点标记和 0 °C 以下区间。

初中

器材

  • 并排的三支虚拟温度计(℃ / K / °F)
  • 摄氏温度滑块(−100 至 150 °C)
  • 换算读数 T = t + 273.15 K 与 °F
  • 标尺上 0 °C 与 100 °C 两个固定点

实验步骤

  1. 在三种温标上读同一温度

    把滑块设在 20 °C:读数显示 T=293,15T=293{,}15 K、tF=68,0t_F=68{,}0 °F。注意 K 与 °C 刻度大小相同但零点不同——开尔文起始于绝对零度。

  2. 检查固定点

    调到 0 °C 与 100 °C——约 1 atm 下水的冰点与沸点:读取 273.15 K / 32 °F 与 373.15 K / 212 °F。摄氏100度恰好等于华氏180度,故系数为 9/59/5。

  3. 观察 0 °C 以下并预测

    把滑块拖到 −40 °C:这是摄氏与华氏标尺重合点(tF=tt_F=t)。继续到 −100 °C,读出 T = 173.15 K——开尔文没有负值。用 tF=95(−20)+32=−4t_F=\tfrac95(-20)+32=-4 °F 预测 −20 °C 的华氏值并验证。

模拟

实验历史

丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特1714年使水银温度计标准化,并按当时的实用定点设定温标。安德斯·摄尔修斯1742年提出“百度”温标——最初方向相反(沸点=0、冰点=100)——在其身后(可能由林奈)颠倒为现今形式。 1848年威廉·汤姆孙(开尔文勋爵)论证卡诺原理意味着存在与测温物质无关的绝对温标——其零点对应理想热机达到最大效率处。国际开尔文温标自1954年以水的三相点为定点,2019年起开尔文改由玻尔兹曼常数定义。

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