低温的获得与测量

陈红雨，姚永才，周小风

（浙江大学 物理实验教学中心，浙江 杭州310058）

1 引 言

在低温的状态下，物质的物理性质将发生变化，会显现出一些常温下被掩盖的物理现象.因此低温技术已成为研究物质物理特性的新手段和新技术，广泛应用于航空、医学、生物等技术领域的研究.本文提出的低温的获得与测量实验是在逐步降低液氮温度并使其达到预期低温状态的整个过程中进行的.通过对实验装置的操作和数据的测量，进一步了解低温实验的基本技术和方法［1］.

2 设计原理

低温实验通常是在低温恒温器内进行的.将低温液体置于低温恒温器中，由于这些低温液体的沸点比室温低，保存在低温容器里在常压下大都处于沸腾状态，因此温度恒定于沸点温度.

常用的低温液体有液氧、液氮、液氢、液氦等.它们在1.01×105Pa下的沸点温度如表1所示.

表1 液态气体的沸点（1.01×105 Pa）

若降低低温液体的蒸气压即可使其沸点降低，从而得到更低的温度.所以利用抽气机迅速抽去液态气体上面的蒸气，液态气体剧烈汽化，吸收汽化热而使液体本身的温度不断下降，抽气愈快，蒸气压降得愈低，汽化愈迅速，温度降得愈低，甚至可以使液态气体固化.如果保持液面上的蒸气压强不变，就可以使液态气体的温度维持在该蒸气压强下的沸点上.所以降低低温恒温器内液体的蒸气压，可获得如表2所示的温度范围.

表2 降低恒温器内液体的蒸气压，获得的液体的低温范围

表2中所列低温液体中，最常用于低温实验的是液氮和液氦.

使用低温温度计，测量恒温装置内的温度随液体蒸气压降低的变化过程［2］.

3 实验系统简介

实验系统如图1所示，由低温容器、机械泵、热水槽、直流电阻电桥和真空压力传感器及铜管组成［3］.

低温容器即为能在低温的一定温度范围内，满足特定低温实验条件的恒温装置.

图1 实验系统

实验用低温容器如图2所示，由不锈钢高真空广口壶改装而成.高真空广口壶采用进口不锈钢材料，利用太空高科技加工工艺，在600t的压力下整体一次冲压成形，再经24道工序最后完成的无缝结构，采用真空无尾夹层内胆保温，可保持温度24h以上.

低温容器的壶体即为不锈钢高真空广口壶，另外用不锈钢设计了圆盖和密封支架，将壶底和圆盖套住，使整个壶密封.圆盖中央开有小孔，将铜管焊接在小孔上面，铜管经过热水槽，接到机械泵.圆盖下还设有测温口，用于安装温度传感器.

实验选择液氮作为低温溶液.热水槽和铜管盘管的设计是为了防止低温气体直接进入机械泵，造成机械泵损坏.

图2 低温容器实物图

低温温度测量选用Pt100铂电阻作为温度传感器，用于测量容器内液氮的温度.铂电阻性能稳定，热响应时间短，热容量低，复现性较好，满足实验测量范围需求.

铂电阻温度传感器的基本值，对于0℃以下范围按照下列公式计算：

其中，Rt为温度为t时的电阻，单位为Ω；R0为0℃时的标称电阻；t为温度，单位为℃；A＝3.908 3×10-3℃-1；B＝ -5.775×10-7℃-2；C＝-4.183×10-12℃-4.

直流电阻电桥用于测量铂电阻的阻值，通过铂电阻温度传感器Pt100电阻值的变化即可知道液氮的温度变化.

当机械泵开始抽气，容器内液氮的蒸气压就会逐步下降，液氮沸点也随之降低，若保持液面上的蒸气压强不变，低温容器内的温度就可以维持在该液态气体蒸气压强下的沸点上.

4 实验测量及数据分析

1）测量0℃时铂电阻的标称电阻R0.将Pt100铂电阻置于冰水混合液中，测得：R0＝100.6Ω.

2）机械泵工作，系统开始抽气，用真空压力传感器测量液氮蒸汽压强变化，用直流电阻电桥测量Pt100铂电阻在液氮的不同蒸气压下的阻值，数据测量值如表2所示［4-5］.

3）根据式（1），可得到实验中液氮在不同蒸气压下的温度t，如表2所示.

4）根据液氮蒸气压与铂电阻阻值及温度对应关系实验数据表（表2）可作出液氮蒸气压与温度关系曲线图如图3所示.

图3 液氮蒸气压p与温度t的关系曲线图

从实验数据（表3）和液氮蒸气压与温度关系曲线图（图3）可以得出，随着机械泵不断抽气，低温容器内的液氮蒸气压不断下降，相应的液氮温度也随之降低.根据实验所得的数据液氮温度和液氮蒸气压之间的关系，可用以下曲线拟合方程表示：

其中，a＝-212.922 91，b＝0.112 424 67，c＝-0.000 281 255 99，d＝2.796 500 2×10-7.

表3 液氮蒸气压与铂电阻阻值及温度对应关系实验数据表

一般情形不采用升高压力提高沸点，而是利用抽气机降低液体的蒸气压，液氮可获得77.3～63.1K的温度范围.

本实验装置的设计也可使液氮获得79.7～64.9K的温度范围，达到了实验预期结果.

5 结束语

本文提出的低温的获得实验设计方法和手段，可使容器内液氮温度达到比常压下更低的低温状态.通过实验过程，能清楚了解液氮温度和液氮蒸气压的关系和获得方法.该实验设计将现代科学技术与大学物理实验教学紧密结合，可拓宽学生知识面提高学习兴趣，低温技术也成为实验教学的内容之一，提高了教学水平和教学质量.

［1］张训生.大学物理实验［M］.杭州：浙江大学出版社，2004.

［2］史永基，史东军.低温测量技术［J］.传感器世界，2001，7（11）：23-29.

［3］朱亚彬，魏敏建，何帆，等.真空变温薄膜电阻测试仪器的设计与应用［J］.物理实验，2011，31（1）：28-30，33.

［4］孙淑凤，陈流芳.低温测量中压力传感器的改进与标定［J］.深冷技术，1999（5）：28-30.

［5］崔文德，李铁鹏，牛建永，等.热敏电阻低温测量方法研究［J］.宇航计测技术，2010，30（4）：25-31.