用压力传感器和温度传感器测量绝对零度[2]修改稿

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1、用压力传感器和温度传感器测量绝对零度代伟，兰小刚，谢春茂（西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充637002）摘要：介绍用贮气球体与压力传感器和温度传感器配合，在定容条件下测量气体的压强与温度，采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度（绝对零度）的摄氏温度值，替代原先用玻璃管测体积和水银温度计测温度.使用新的绝对零度实验装置，可以更明显地观察分析热力学现象，并使测得的绝对零度值较为精确.关键词：压力传感器；温度传感器；绝对零度中图分类号：O551.2文献标识码：A文章编号：1000-0712（2008）引言

2、1848年，英国科学家开尔文男爵（1824～1907）建立了一种新的温度标度，称为热力学温标，它的量度单位称为开尔文（K）.这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同.它的零度即是可能的最低温度，相当于摄氏零下273℃（精确数为-273.15℃），称为绝对零度.因此，要算出热力学温度只需在摄氏温度上再加273即可.在绝对零度这样的非常温度下，物质呈现的既不是液体状态，也不是固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子”，它表现为一个单一的实体.在常温下，气体的原子以每小时1600公里的速度运动着，而在3

3、K的温度下则是以每小时1米的速度运动着，而在20nK（2×10-8K）的情况下，原子运动的速度就慢得难以测量了[1].在20nK下还可以发现物质呈现的新状态.所以对绝对零度的测量在热力学中有着非常重要的作用.传统测量绝对零度的方法是采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度（绝对零度）的摄氏温度值.实验装置如图1所示.此装置用一端封口的玻璃管测量气体的体积，用水银温度计测量气体的温度.根据盖·吕萨克定律，当压强不变时，气体的体积与温度成正比，这样可以画出一条“温度-体积”曲线.当延长这条曲线到体积为零时，大多数

4、气体的这条曲线都指向一个温度，大约在-270℃左右.由于气体之间有引力，这个测量结果会因为气体不同而不同.于是科学家就通过分子间引力最小的氢气的测量结果，再加以其它的实验修正，计算得出-273.15℃为绝对零度.但在这种测量方法中气体的体积用标尺玻璃管的高度测量，温度是用水银温度计测量，测出的体积和温度精度都不高，用它们难以测出气体微小的体积变化和温度变化.同时，实验中若操作不当会使水银溢出管外，造成污染.因此，用以前的实验装置测量绝对零度，“测量结果是粗略的”[2]，实验结果误差较大[3].收稿日期：200

5、7-07-28;修订日期：2008-01-02作者简介：代伟(1964-),男,四川遂宁人，学士，西华师范大学副教授，主要从事大学物理实验的教学与研究.新型PT14扩散硅压力传感器和AD590电流型集成温度传感器灵敏度高，用它们配合绝对零度球体测量绝对零度，测量准确性和重复性好，将它们用于改进的绝对零度测量装置，可以克服原先的不足，实验时能更明显地观察热力学现象，实验结果精确.图1传统的绝对零度测量装置1原理依据查理定律[4]，定量的气体在体积一定时，气体的压强P和绝对温度T成正比，即(1)k为一比例常数假定

6、绝对温度和摄氏温度之关系如下：(2)其中T为开尔文温度、t为摄氏温度，B为待测量，其值为绝对零度将(2)式代入(1)式可得(3)当P=0时，所得之t即为绝对零度.将实验所得以气体压强P(y轴)对摄氏温度t(X轴)作图，利用Excel软件作线性回归，求出直线方程式，代入式(3)即可求得绝对零度.2实验装置实验装置如图2所示，在贮气瓶上安装PT14微压力传感器和AD590电流型集成温度传感器，将一定质量的气体密封在体积为V0的贮气瓶内。球体与传感器接触部位等处有漏气时只需涂上704硅化橡胶，即可防止漏气.瓶内气体

7、温度测量采用AD590电流型集成温度传感器，它是一种恒流源形式的固态传感器，测量灵敏度高、线性好，测温范围-50～150℃.在两端加上一定的工作电压（6V），其输出电流将随瓶内气体温度作图2用传感器测量绝对零度实验装置线性变化，灵敏度为1.000μA/K；串接5KΩ的电阻后，可在电阻上产生5mV/K的信号电压变化，将此电压输入四位半数字电压表（量程为0～1999.9mV，精度0.1mV），可探测到最小为0.02K的温度变化.实验时只需将四位半数字电压表中的读数除以5即可得瓶内空气的近似热力学温度.实验中只要在

8、冰点温度时，用数字电压表测出对应的电压值，便可得到待测物的摄氏温度t.用PT14扩散硅压力传感器(采样速率大约3次/秒)来测量瓶内空气压强与外界压强的差值.扩散硅压力传感器是在半导体硅材料的基片上采用集成电路的工艺制成扩散电阻，以使应变计与硅衬底形成同一整体的传感器.具有应变电阻效应高、传递应变的灵敏度高等特点.实验时，由PT14扩散硅压力传感器探测的信号由同轴电缆线输出，并与仪器内的放大器及三位半