Термометрия - понятие и принципы

Лабораторная работа: Термометрия

Цель работы: Углубить представления о температуре, изучить принципы и освоить некоторые методы измерения температуры.

Оборудование: Жидкостные термометры, термопара, термометр сопротивления, термистор, оптический пирометр «Промiнь», лампа накаливания с блоком питания, электроплитка, потенциометр постоянного тока ПП-63, аккумулятор, мост реохордный Р – 33, блок питания ВСШ на 4 и 6 В, индикатор сопротивления ММВ, металлический стаканчик и другие принадлежности.

1.Теоретическая часть

1.1Понятие температуры .

     Температура в обычном понимании характеризует степень нагретости тела. Строгое определение температуры даётся в молекулярно–кинетической теории, где под температурой понимают меру средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа:   <ε> = (3\2)kT,  где k = 1.38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, m – масса молекулы, V – скорость её поступательного движения.

     Из последнего определения ясно, что обычная измеренная температура относится к огромному числу молекул и даёт определение об их средней кинетической энергии. Понятие температуры применимо таким образом только к массиву молекулы поэтому температура является макроскопическим параметром состояния вещества.

1.2 Принципы термометрии .

1.2.1.Термометрические параметры.

     Измерение температуры обычно производится косвенным путём, т. е. не сводится к измерению кинетической энергии молекул. Оно основывается на измерении некоторых физических параметров, зависящих от температуры. К параметрам предъявляются следующие требования: выбранный параметр должен существенно, непрерывно, однозначно и просто изменяться простыми средствами; измерен6ия величины параме5тра не должно вносить значительных изменений в температурный режим измеряемой среды.

     Список наиболее употребляемых термометрических параметров имеет следующий вид:

- объём тела ( тепловое расширение, , жидкостные и газовые температуры);

- электрическое сопротивление (R=R₀(1+t), проводники-терморезисторы и полупроводники-термисторы );

- термо ЭДС ( термопары или термоэлементы, Т_эдс=сt);

- линейные размеры ( линейное расширение L=L₀(1+t), биметаллические пластины);

- спектр излучения ( энергетическая светимость R_э=T⁴,  спектральный состав _min= b/T, радиационный, яркостный и цветовой пирометры );

Применяются также зависимость от температуры скорости распространения звука, показателя преломления света веществом и многие другие параметры.

 К внешним принципам методики термометрии относится строгое соблюдение следующего условия – термометрическое тело и среда должны войти в состояние теплового равновесия. Поэтому очень важно, чтобы тепловая «инерционность» измерительного прибора была незначительной, тогда он скорее примет температуру измеряемой среды, а собственная теплоёмкость – минимальной,  при этом он не внесёт искажений в состояние среды.

     В отдельных случаях, при точных и локальных измерениях геометрические размеры рабочей части термометра должны быть точечными.

1.2.2 Температурные шкалы.

     В настоящее время применяются несколько температурных шкал, отличающихся выбором опорных ( реперных ) точек. В школе Цельсия интервал между точкой плавления льда и точкой кипения воды при нормальном давлении делится на сто равных долей – градусов Цельсия (⁰С). В шкале Фаренгейта за нуль принимается температура смеси льда и соли ( -32⁰С), а точка кипения воды  принимается за 212 градусов.

     Третья шкала – это наиболее употребляемая в научной литературе абсолютная шкала температур. Физический смысл нулевой температуры в этой школе – полное отсутствие молекулярного движения.

     Связь между температурными шкалами имеет вид:

Т_с = (5/9)Ч(T_F-32);                    T_F=32+(9/5)ЧT_c;                 T_c=t=T_k-273

1.3 Виды термометров.

1.3.1 Газовые термометры.

     Наиболее строго требованию линейной и существенной зависимости от температуры отвечают параметры идеального газа – объём и давление. Поведение реального газа при небольших давлениях и достаточно высоких температурах практически не отличается от поведения идеального газа . При этой причине газовые температуры используются как эталонные, по ним градуируют и проверяют другие термометры.

     Простейший газовый термометр может представлять собой запаянную с одной стороны  трубку, в которой некоторая масса газа отделена от атмосферы капелькой ртути (рис.1). При нагревании газ расширяется, а его давление остаётся равным атмосферному. В соответствии с  уравнением Клайперона-Менделеева объём и температура находятся в состоянии : v=(mR/мр)ЧT. Для конкретного термометра выражение в скобках играет роль постоянного коэффициента, зависящего от количества газа и от атмосферного давления.

     Процедура измерения температуры газовым термометром сводится к тому, что его помещают в исследуемую среду, затем, дождавшись установления равновесия, определяют объём v и по графику T = f(v)  находят Т. На практике часто линейка Л служит шкалой температур.

1.3.2. Жидкостные термометры.

     Если ёмкость газового термометра заполнить жидкостью с достаточно большим коэффициентом теплового объёмного расширения, то полученный прибор станет жидкостным термометром. В настоящее время такими жидкостями является ртуть, или подкрашенные спирт, толуол, пентан и некоторые другие вещества.

     Для повышения чувствительности и точности измерений термометр состоит из двух сообщающихся объёмов, один из которых содержит основную массу жидкости, а второй служит индикатором изменения объёма  ( см. рис. 2 ), для чего ему придаётся форма цилиндра капиллярных размеров.

     Жидкостные термометры запаяны с обеих концов, поэтому более удобны в обращении, что послужило причиной их широкого распространения.

     К недостатком их можно отнести нелинейность температурной зависимости объёмов, что делает необходимым калибровать их по газовым термометрам. Они отличаются также инерционностью (время вхождения в равновесное состояние со средой не менее 10 минут ), большой собственной теплоёмкостью до 10 Дж/К и размерами рабочей части. Диапазон их работы ограничен с одной стороны температурой кристаллизации, а с другой – температурой кипения жидкости.

1.3.3. Твердотельные термометры.

1.3.3.1. Биметаллические термометры -используют различие в коэффициентах теплового линейного расширения разных металлов. Скреплённые вместе, как показано на рис.3, пластинки при изменении температуры изгибаются или закручиваются. Величина деформации зависит от температуры, поэтому снабдив пластины механизмами и шкалами можно снимать прямые показания температуры.

     Достоинства биметаллических термометров – простота изготовления, механическая прочность. Возможность встраивания в системы автоматики и телемеханики. Недостатки – низкая чувствительность, проявление «усталости» металлов и отсюда – необходимость частой проверки и калибровки по эталонным термометрам.

1.3.3.2. Термопары – представляют собой два различных проводника, соединенных сваркой или пайкой. Металлы должны иметь как можно большую разницу в работе выхода электронов, тогда между ними устанавливается контактная разность потенциалов, величина которой зависит от температуры зоны контакта. Для термопары используют обычно хорошо изученные пары металлов, например, медь констант, хромель-алюмель, платина-родий и другие.