Лаборатории работа № 5
Определение температуры различными методами
1. Температура и температурные шкалы
Температура - один из основных термодинамических параметров. Она характеризует степень нагретости термодинамической системы и определяется средней кинетической энергией поступательного движении молекул.
Температура всех частей системы находящихся в состоянии термодинамического равновесия является одинаковой. Если система не находится в состоянии термодинамического равновесия, то ее части, имеющие различные температуры обусловливают теплообмен. Теплообмен как самопроизвольный процесс переноса энергии всегда происходит в направлении от более нагретых частей системы к менее нагретым, т. е. от частей с более высокой температурой к частям с меньшей температурой.
При измерении температуры используются температурные шкалы, которые представляют собой системы числовых значений температуры.
Первоначально температурные шкалы (и единицы температуры) основывались на двух реперных точках, соответствующих фазовым переходам (точки кипения воды и таяния льда при нормальной атмосферном давлении), Числовые значения температуры в них принимались произвольно. Таким образом были построены температурные шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта Ренкина и др.
В международной системе единиц (СИ) используются две температурные шкалы: международная термодинамическая температурная шкала (МТТШ) н международная практическая температурная шкала (МПТШ-68).
Термодинамическая температурная шкала не зависит от физических свойств термодинамического вещества, имеет одну реперную точку и была предложена Кельвином (английским физиком У, Томсоном, получившим за свои научные заслуги титул лорда Кельвина). При построении МТТШ в качестве реперной точки использована тройная точка воды, которой присвоено значение температуры 273,16 К. Таким образом, 1 К равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
МПТШ-68 основана на двух реперных точках - температурах фазовых переходов некоторых чистых веществ. В качестве реперных точек использованы тройная точка равновесия водорода, точка кипения кислорода, тройная точка кипения воды, тройная точка воды, затвердевания цинка, золота и др. По этой шкале температура кипения воды равна 100 °С при нормальном давлении 0,1012 МПа. МПТШ-68 не вполне совпадает с термодинамической шкалой, так как температура указанных реперных точек не является абсолютно точной. Например, расхождение между МПТШ-68 и термодинамической шкалой в точке кипения воды. составляет 0,,005 К, что для многих инженерных задач не имеет существенного значения, но важно для метрологии.
Значения температур между реперными точками МПТШ-68 получают при помощи эталонных термометров по интерполяционном формулам.
Термодинамическая температурная шкала и МПТШ-68 могут градуироваться в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Основная единица в СИ - кельвин, однако и градус Цельсия как внесистемная единица температуры допускается к применению.
Соотношение между температурами в разных единицах следующее:
Т = t°С + 273,16
где: Т-температура Кельвина, К; t - температуря Цельсия, °С. следует учесть, что по значению (как цена деления шкалы)
1 °С - 1 К.
2. Методы измерения температур и типы приноров
Методы измерения температуры подразделяются на контактные, основанные на контакте чувствительного элемента прибора с телом, температура которого измеряется и бесконтактные, основанные на измерении характеристик теплового излучения и поэтому, позволяющие производить измерения без прямого контакта с телом.
На практике используются приборы для измерения температур, реализующие зависимость одного из термометрических свойств вещества от температуры. Это термометрическое свойство должно удовлетворять ряду требований. Среди них можно назвать основные; однозначность связи с температурой, независимость от других факторов и изменение величины в, таких пределах, в которых измерение можно выполнить с высокой точностью,
В зависимости от используемого термометрического свойства приборы для измерения температур подразделяются на следующие типы: термометры расширения, термометры манометрические, термометры сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары) и др.
2.1 Термометры расширения
Физическое свойство тел изменять свой объем в зависимости от температуры лежит в основе устройства термометров расширения. Они могут быть жидкостными, дилатометрическими и биметаллическими. Последние два типа иногда объединяют под общим названием механических термометров.
Жидкостные термометры. Принцип действия жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкости в стекле, коэффициент термического расширения которого меньше, чем у жидкости. В качестве термометрического вещества применяются различные жидкости.
Основным термометрическим веществом является ртуть. Термометры с органическими жидкостями применяются главным образом для измерения низких температур. Точность этих термометров ниже, чем ртутных, ввиду смачиваемости стекла жидкостью и большей тепловой инерции.
Повышение верхнего предела измерения температур ртутью достигается благодаря искусственному повышению точки ее кипении. С этой целью пространство капилляра над ртутью заполняется инертным газом под давлением 24,5 105 Па для термометров с пределом измерения до 550 °С и 68,5·105 Па - с пределом измерения до 700 °С.
По конструкция жидкостные термометры выполнятся в двух модификациях - палочные и со вложенной шкалой. Первый состоят из термобаллона, соединенного с толстостенным капилляром. Шкала у этого термометра нанесена непосредственно на наружную поверхность капилляра в виде насечки по стеклу. Термометр с вложенной шкалой состоит из термобаллона, заполненного жидкостью, тонкостенной капиллярной трубки, припаянной к термобаллону, шкалы из молочного стекла с нанесенными на нее делениями и цифрами и наружной цилиндрической оболочки, в которой укрепляется капилляр и шкала.
По точности измерения жидкостные термометры делятся на три категории: рабочие, образцовые и эталоны. Рабочие приборы предназначены для повседневных измерений. Они в свою очередь, могут быть лабораторными (приборы повышенной 
точности - 0,3 и ниже, что соответствует допустимой погрешности прибора ( 0,5 %) и техническими, класс точности которых 1,0; 1,5; 2,0; 2,5. Образцовые приборы служат для проверки и градуировки рабочих приборов и должны иметь допустимую погрешность в 4 - 5 раз меньше допустимой погрешности испытуемого прибора. Измерительные приборы, служащие для проверки приборов высшего разряда, а также воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей точностью называются эталонами.
Для предохранения стеклянных термометров or поломки их помещают в металлические гильзы, заполненные маслом.
Достоинством ртутных термометров является большой диапазон измерений, несмачиваемость стекла ртутью, постоянство температурного коэффициента в значительной части шкалы термометра. К их недостаткам следует отнести сравнительно малый коэффициент расширения (- 0,0018 1/°С), хрупкость, невозможность дистанционной передачи показаний, значительность тепловой инерции и трудность отсчета показаний,
Механические термометры. Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на изменении линейных размеров твердых тел в зависимости от изменения их температуры. Применяются эти термометры в основном в качестве воспринимающих элементов регуляторов, сигнализаторов и компенсаторов температуры.
2.2 Термометры сопротивления
Действие термометров сопротивления основано на измерении электрического сопротивления проводника при изменении температуры. Электрическим сопротивлением обладают все без исключения проводники, но температурный коэффициент для каждого материала индивидуален, и кроме того, величина коэффициента меняется с колебаниями температуры.
В термометрии наибольшее распространение получили термометры сопротивления из платины для измерения температур от 190 до 660 °С, меди от -55 до + 220 °С, никеля до °С. железа до °С, свинца для низких и фосфористой бронзы - для сверхнизких температур.
2.3. Термоэлектрические термометры
Нагревание спая двух разных металлов вызывает образование электродвижущей силы направленной от одного из этих металлов к другому. При соединении каких-либо ненагретых частей этих металлов между собой или замыкания их в холодном месте проводником возникает электрический ток. Величина термоэлектродвижущей силы пропорциональна разности температур между горячим спаем и холодными концами термопары.
Свойство возникновения термоэлектродвижущей силы пропорциональной температуре, положено в основу измерения температур с помощью термопар. Его производят пирометрическими милливольтметрами (гальванометрами) или потенциометрами.
Лабораторные и промышленные термопары обычно изготавливают из двух кусков проволоки различных материалов. Проволоки на одном конце приваривают друг к другу, в этом месте образуется горячий спай термопары, другие, так называемые холодные концы, оставляют свободными.
В качестве термоэлектрических материалов применяют чистые металлы: платину, железо, медь, а также специальные сплавы.
2.4 Пирометры излучения
Измерение температуры тел, накаленных выше 800 °С, производится определением величины излучения, испускаемого этими телами.
Величина излучения реального тела отличается от величины излучения абсолютно черного тела. Это отличие характеризуется коэффициентом, или степенью, черноты, представляющим собой отношение количества лучистой энергии, испускаемой реальным телом, к количеству лучистой энергии, испускаемой абсолютно черным телом при равенстве их температур. Величина лучеиспускания абсолютно черного тела больше количества лучистой энергии, испускаемой реальным телом, поэтому коэффициент (степень) черноты всегда меньше единицы.
Возможность определения температуры реальных тел» имеющих различную степень чернота, одним и тем же прибором достигается градуировкой приборов по температуре абсолютно черного тела. Однако такой способ градуировки приводит к получению заниженных результатов, поэтому правильная температура определяется введением поправок на степень черноты тела.
№ п/п | Термометры | Ах | ΔА | В, % |
1 | Ртутный термометр | 70° | − | − |
2 | ТМК термопары | 68° | - 2 | 2 |
3 | ТХК термопары | 65° | - 3 | 4 |
4 | Термометр сопротивлений | 60° | - 5 | 8 |
5 | Манометрический термометр | 78° | 18 | 23 |
Р = 730 мм рт. ст.
Рбар. = Р + С1 + С2 + С3 = 730 + 0,2 + 0,01 + 0,2 = 730,41 мм рт. ст.
Поправки С1 = + 0,2
С2 = 0,01
С3 = 0,2
tкип = 100 + 0,03 (Рбар − 160) = 100 + 0,03 (730,41 − 760) = 99 °С.
ΔА = Ах − А = 68 − 70 = −2 
ΔА = Ах − А = 65 − 68 = −3 
ΔА = Ах − А = 60 − 65 = −5 
ΔА = Ах − А = 78 − 60 = 18 
