Лекция 4.
Тема 3. Измерение температуры
План:
4.1 Основные сведения о температуре и температурных шкалах.
4.2 Классификация методов измерения температуры
4.3 Термометры расширения.
4.1 Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела (степень нагретости).
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К), нулем шкалы Кельвина является температура, при которой прекращаются хаотические движения молекул идеального газа: эту температуру называют абсолютным нулем (–273,15 °С). На практике широко применяется градус Цельсия (°С). Температуру по этой шкале отсчитывают от точки замерзания воды, приписывая этой точке температуру, равную нулю. Соотношение между абсолютной Т и стоградусной t температурами имеет вид:
Т °К = 273,15° + t °С.
В быту используется Шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Градус Цельсия равен градусу Кельвина, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C.
Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и наша жизнь основана на ней.
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F.
Шкала Реомюра, предложенная в 1730 году Р. А. Реомюром, описавшим изобретённый им спиртовой термометр. Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
МЕЖДУНАРОДНАЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА (МПТШ-68)
Ø установлена в 1968 Международным комитетом по мерам и весам,
Ø основана на 11 реперных точках.
Промежуточные точки МПТШ-68 воспроизводятся по интерполяционным формулам.
Ø В диапазоне между 13,81 К и 630,74 °C (точка затвердевания сурьмы) в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления (при T < 100 °К используют также германиевый термометр),
Ø в диапазоне 630,74 °C - 1064,43 °C - термопару с электродами платинородий (10% Rh) - платина,
Ø выше 1337,58 К (1064,43 °C) - спектральный пирометр с реперной точкой 1064,43 °C.
Ø В области низких температур МПТШ-68 доведена до 13,81 К;
Ø температуры в интервале 0,3 - 5,2 К определяют по упругости паров жидкого He (шкала 1958) и жидкого 3He (шкала 1962),
Ø ещё более низкие - термометрами сопротивления (угольными, из сверхпроводящих сплавов и др.) и магнитными методами.
4.2 Измерить температуру какого-либо тела непосредственно, т.е. так, как измеряют другие физические величины, например, длину, массу, объем или время, не представляется возможным, т.к. в природе не существует эталона единицы этой величины. Поэтому определение температуры вещества производят посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, которое будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за ноль.
Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, то для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются измерению.
Физические свойства рабочих веществ, положенные в основу методов измерения температуры
• Объемное расширение
• Изменение давления в замкнутом объеме
• Возникновение термоэлектродвижущей силы
• Изменение электрического сопротивления
• Интенсивность излучения
4.3Термометры расширения- это приборы, в которых для измерения t° используется свойство теплового расширения вещества (жидкость, газ или твердое тело).
Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров делятся на два типа: палочные и со вложенной шкалой.
Достоинства: дешевизна, высокая точность измерения, простота конструкции и использования.
Недостатки: плохая видимость шкалы, невозможность ремонта, непередаваемость сигнала на расстояние.
Введение поправок в показания термометра. У лабораторных и других термометров, градуируемых и предназначенных для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не полностью (рисунок 1), то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в результате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению:
а – полное погружение; б – с выступающим столбиком
Dt = ¡ ×(t – tв.с.) × h,
где ¡ – коэффициент видимого объемного теплового расширения термометрической жидкости в стекле, град-1;
t – действительная температура измеряемой среды, °С;
tв.с. – температура выступающего столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра, °С;
h – высота выступающего столбика, °С.