Измерение температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение температуры
План

1. Температурные шкалы

2. Классификация приборов для измерения температур
3. Манометрические термометры
4. Термоэлектрические термометры. Термоэлектрический эффект
5. Термометры сопротивления
6. Измерительные приборы термометров сопротивления. Уравновешенные мосты
7. Пирометры излучения
8. Квазимонохроматические пирометры
9. Пирометры спектрального отношения
10. Пирометры полного излучения
1. Температурные шкалы

Температура – важнейший параметр окружающей среды (ОС). Температура ОС характеризует степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Температуру можно определить как параметр теплового состояния. Для сравнения степени нагретости тел использует изменение какого либо физического их свойства, зависящего от температуры и легко поддающегося измерению (например, объемное расширение жидкости, изменение электрического сопротивления металла и т.д.).

Чтобы перейти к количественному определению температуры, необходимо установить шкалу температур., т.е. выбрать начало отсчета (нуль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (градус).
Температурные шкалы, применяемые до введения единой температурной шкалы, представляет собой ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными реперными или опорными) точками кипения и плавления химически чистых веществ. Эти температуры принимали равными произвольным числовым значениям t’ и t”. Таким образом, 1 град = (t’ - t”)/n, где t’ и t” – две постоянные легко воспроизводимые температуры; n – целое число, на которое разбит температурный интервал.
Для разметки температурной шкалы чаще всего использовали объемное расширение тел при нагревании, а за постоянные точки принимали температуры кипения воды и таяния льда. На этом принципе основаны температурные шкалы, созданные Ломоносовым, Фаренгейтом, Реомюром и Цельсием. При построении этих шкал была принята линейная зависимость между объемным расширением жидкости и температурой, т.е.

dt = k dV (1),

где k – коэффициент пропорциональности (соответствует относительно температурному коэффициенту объемного расширения). Интегрирование уравнения (1) дает

t = kV + D (2),

где D – постоянная интегрирования.

Для определения постоянных k и D используют две выбранные температуры t’ и t”. Приняв при температуре t’ объем V’, а при температуре t” – V”, получим

t’ = kV’ + D; (3)

t” = kV” + D; (4).

Вычтя уравнение (3) из уравнений (2) и (4), получим

t – t’ = k(V – V’) (5);

t” – t’ = k(V” – V’) (6).

Разделив уравнение (5) на уравнение (6), получим

(7),

где t’ и t” – температура соответственно таяния льда и кипения воды при нормальном давлении и ускорении свободного падения 980,665 см/с²; V’ и V” – объемы жидкостей, соответствующие температурам t’ и t”; V – объем жидкости, соответствующий температуре t.

В природе нет жидкостей с линейной зависимостью между коэффициентом объемного расширения и температурой поэтому показания термометров зависят от природы термометрического вещества (ртути, спирта и т.п.).
С развитием науки и техники возникла необходимость в создании единой температурной шкалы, несвязанной с какими либо частными свойствами термометрического вещества и пригодные в широком интервале температур. В 1848 году Кельвин, исходя из второго начала термодинамики, предложил определять температуру на основании равенства

T₂/(T₂ – T₁) = Q₂/(Q₂ – Q₁),

где Т₁ и Т₂ – температура соответственно холодильника и нагревателя; Q₁ и Q₂ – количество теплоты, соответственно полученной рабочим веществом от нагревателя и отданной холодильнику (для идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно).

Пусть Т₂ равно температуре кипения воды (Т₁₀₀), а Т₁ – температура таяния льда (Т₀); тогда, приняв разность T₂ – T₁ равной 100 град и обозначив количество теплоты, соответствующее этим температурам, через Q₁₀₀ и Q₀, получим

Т₁₀₀ = Q₁₀₀ 100/(Q₁₀₀ – Q₀); Т₀ = Q₀ 100/(Q₁₀₀ – Q₀).

При любой температуре нагревателя

Т = Q 100/(Q₁₀₀ – Q₀) (8).

Уравнение является уравнением термодинамической шкалы температур, которое не зависит от свойств термометрического вещества.

Решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в России предусмотрено применение двух температурных шкал: термодинамической и международной практической.
В термодинамической шкале Кельвина нижней точкой является точка абсолютного нуля (0К), а единственной экспериментальной основной точкой – тройная точка воды. Этой точке соответствует 273,16К. Тройная точка воды (температура равновесия воды в твердой , жидкой и газообразной фазах) ваше точки таяния льда на 0,01 град. Термодинамическую шкалу называют абсолютной, если в ней за нуль принята точка на 273,16К ниже точки плавления льда.
Строго говоря, осуществить шкалу Кельвина невозможно, т.к. уравнение ее выведено из идеального цикла Карно. Термодинамическая шкала температур совпадает со шкалой газового термометра, наполненного идеальным газом. Известно, что некоторые реальные газы (водород, гелий, неон, азот) в широком интервале температур по своим свойствам сравнительно мало отличаются от идеального газа. Так, шкала водородного термометра (с учетом поправок на отклонение свойств реального газа от идеального) представляет собой практически термодинамическую шкалу температур.
Международная практическая температурная шкала основана на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым соответствуют определенные значения температур (основные реперные точки), и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервале между температурами основных реперных точек интерполяцию выполняют по формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и значениями международной практической шкалы. Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ и охватывают интервал температур от –259,34⁰С (тройная тоска равновесия водорода) до +1064,43⁰С (точка затвердевания золота).
Эталонным прибором, используемым в области температур от –259,34 до +630,74⁰С, является платиновый термометр сопротивления, от +630,74 до +1064,43⁰С – термоэлектрический термометр с термоэлектродами и платинародия (10% родия) и платины. Для области температур выше 1064,43⁰С температуру по международной практической шкале определяют в соответствии с законом излучения Планка.
Температуру, измеряемую по международной практической шкале, обозначают t, а числовые значения сопровождают знаком ⁰С.
Температура по термодинамической шкале связана с температурой по международной практической шкале соотношением T = t + 273,15. На IX генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году международная практическая температурная шкала была названа шкалой Цельсия. Для международной практической шкалы температур и шкалы Цельсия общей является одна постоянная точка (температура кипения воды); во всех остальных точках эти шкалы существенно различаются, особенно при высоких температурах.