48366

Термічний аналіз. Температура та методи її вимірювання

Лекция

Физика

Температура та методи її вимірювання Питання що розглядаються: Визначення температури. Шкали температур. Методи вимірювання температури.

Украинкский

2013-12-09

961.5 KB

15 чел.

Лекція 6-7

Розділ 2

Термічний аналіз.

Тема 2.1

Температура та методи її вимірювання

Питання, що розглядаються:

2.1.1. Визначення термометрії.

2.1.2. Визначення температури.

2.1.3. Шкали температур.

2.1.4. Методи вимірювання температури.

2.1.5. Пристрої для вимірювання температури:

2.1.5.1. Рідинні термометри.

2.1.5.2. Металеві термометри.

2.1.5.3. Ефект Зеєбека (термопари).

2.1.5.4. Випромінювання при нагріванні (пірометрія).

2.1.5.5. Тиск газів.

2.1.5.6. Зміна власної частоти коливань п’єзокристалів.

2.1.5.7. Квадрупольний резонанс.

2.1.1. Термометрія – розділ прикладної фізики, який присвячений розробці методів і засобів вимірювання температури. Термометрія є також розділом метрології, в задачі якої входить забезпечення єдності та точності температурних вимірювань: встановлення температурних шкал, виготовлення еталонів, розробка методик градуювання та повірки приладів для вимірювання температури.

2.1.2. Визначення температури.

Температура – це фізична величина, що характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що знаходиться у стані термодинамічної рівноваги. В рівноважному стані температура має однакове значення для всіх макроскопічних ділянок системи. З основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії маємо

,                                                       (1)

де  — число ступенів свободи молекул газу;

— стала Больцмана, ;

T — абсолютна температура (за шкалою Кельвіна);  

— середня енергія,

— енергія кожного j-того атома у випадку одноатомного ідеального газу.  може бути різною для різних атомів, тому неможна говорити про температуру одного атома.

Згідно термодинаміки, будь яка термодинамічна система характеризується ентропією. Ентропія1 S – це міра необоротного розсіяння енергії або міра зростання хаосу (невпорядкованості) в макросистемі: чим менша степінь упорядкування, тим більша ентропія2. В термодинаміці зміна ентропії при нескінченно малому оборотному процесі пов’язана з поглинутою системою теплотою:

,                                                         (2)

де  – абсолютна температура. Вираз (2) вказує шлях експериментального побудування абсолютної шкали температур: величина  повинна бути такою, щоб інтеграл

                                                        (3)

не залежить від способу переходу з початкового стану в кінцеве. Ствердження про можливість такого побудування називають 2-м началом термодинаміки для оборотних процесів. Абсолютна температура  є позитивно визначеною величиною.

2.1.3. Шкали температур.

Температура  є одною з основних величин Міжнародної системи СІ –  частині температури потрійної точки чистої води. Координати потрійної точки води:  (),  ().

Поряд з цією одиницею, температура також вимірюється за стоградусною шкалою Цельсія (оС). Позначається t. В Великобританії і Північній Америці використовується інша одиниця вимірювання – градус Фаренгейта (оF) (,).

Нульова точка за шкалою Кельвіна відповідає найнижчій теоретично можливій температурі T0 = 273.15 K і називається – абсолютний нуль температур. Нульова точка за шкалою Цельсія відповідає точці замерзання води. Більш низькі температури за цією шкалою називається негативними.

Один Кельвін дорівнює одному Цельсію і тому шкали тільки зміщені одна відносно другої: t = T – T0.

2.1.4. Методи вимірювання температури.

Температура не може вимірюватись безпосередньо. Про температуру і її зміну судять за іншими фізичними властивостями тіл, такими як об’єм , тиск, електричний опір, інтенсивність випромінювання, магнітна сприйнятливість тощо.

Методи вимірювання температури різні для різних діапазонів, вони залежать від умов вимірювання і точності, яка необхідна. Методи можна умовно розділити на дві великі групи:

– контактні і

  •  безконтактні.

Для контактних методів характерно те, що пристрій, який вимірює температуру середовища, повинен знаходитись з нею у тепловій рівновазі, тобто мати з нею однакову температуру. Безконтактні методи основані на взаємодії вимірювальних пристроїв з світловим випромінюванням, яке супроводжує процес нагрівання. Ці методи об’єднані однією назвою пірометрія.

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются

на:

а) термометры расширения, принцип действия которых основан на

зависимости объемного расширения жидкости и линейных  размеров твер-

дых тел от температуры;

б)  манометрические  термометры,  принцип  действия  которых  ос-

нован  на  изменении  давления  рабочего (термометрического)  вещества  в

зависимости от температуры;

в) термоэлектрические термометры (термопары), принцип дейст-

вия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижу-

щей силы от температуры;  

г) термометры сопротивления,  принцип действия которых основан  

на  зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента

(проводника или полупроводника) от температуры.

Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного  теплового  или  оптического  излучения,  можно  представить  следующими направлениями:

а) пирометрия – измерение температуры самосветящихся объектов:

пламени, плазмы, астрофизических объектов;  

б) радиометрия – измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн;

в) тепловидение – радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в

телевизионное  изображение,  иногда  с  цветовым  контрастом.  Позволяет

измерять  градиенты  температуры,  температуру  среды  в  замкнутых  объе-

мах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах.

2.1.5. Пристрої для вимірювання температури.

2.1.5.1. Термометры расширения  
Рідинні термометри.
Рідинні термометри основані на залежності обїєму рідини від температури. В рідинних термометрах використовується ртуть, спирт, толуол, пентан. Мірою є довжина стовпа рідини. Інтервал вимірювання дуже обмежений температурою кипіння і замерзання рідини. Рідинні термометри використовують головним чином для вимірювання температур в інтервалі .

Основными  элементами  конструк-

ции термометра (рис. 2.2) является резер-

вуар 1 с припаянным  к  нему капилляром

2,  заполненные  частично  термометриче-

ской жидкостью 3, и шкала 4.

В  качестве  термометрической  жид-

кости в большинстве случаев использует-

ся химически чистая ртуть. Ртуть не сма-

чивает стекло, легко получается в чистом

виде,  находится  в  жидком  состоянии  в  

широком  диапазоне  температур (от –

38,84 до 356,58 °С). Кроме нее используется: толуол,  этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан.

 

Конструктивно  различают  палочные  термометры  и  термометры  с

вложенной шкалой. У палочных термометров шкала наносится на поверх-

ность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой ка-

пилляр  и  шкальная  пластинка  с  нанесенной  шкалой  заключены  в  защит-

ную оболочку, припаянную к резервуару.

Жидкостные термометры, изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противоположного конца, шкалы и защитной оболочки. Приращение в капилляре термометра столбика жидкости ∆h (мм) при нагреве резервуара от температуры t1 до t2 определяется по формуле:

где V1 - объем жидкости в резервуаре при температуре t1 мм3;

αж и αс - средние температурные коэффициенты объемного расширения жидкости и стекла, K-1 ;

d - внутренний диаметр капилляра, мм.

Рідинні термометри відносяться до контактних методів з усіма їх характерними недоліками: необхідністю бути в тепловому контакті і в тепловій рівновазі з вимірювальним середовищем, цим термометрам властива інерційність. Рідинні термометри завжди показують власну температуру. Крім того ці  прилади при вимірюванні можуть змінювати температури середовища.

2.1.5.2 Металеві термометри 

Дилатометричні:

Изменение длины твердого тела от температуры может быть аппрок-

симировано линейной зависимостью:

lк =lн (1+αt),   (2.6)

где  α - средний  коэффициент  линейного  расширения  в  сравнительно  нешироком  диапазоне  температур; lк, lн - длины термометров при конечной и начальной температурах.

Біметалеві термометри являють собою біметалеві пластини. Це міцно з’єднані між собою два різних метали або сплави. Розрізняють біметали двохшарові або багатошарові. Біметалеві пластини дуже чутливі до зміни температури. Відомі з 19 ст., наприклад прокатана пластина з алюмінію і сплаву алюмінію.

При изменении температуры такой пластины  она изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения (на рисунке – металл 2). Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s перемещение А ее

ненагруженного конца при изменении температуры пластины от t1 до t2 определится выражением:

где γ – удельный изгиб пластины, зависящий в основном от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов.  Из (2.7) следует, что перемещение ненагруженного конца пластины не зависит от ее ширины. Зависимость перемещения незакрепленного конца биметаллической пластины от температуры справедлива в том интервале  температур,  в  котором  оба  используемых  металла  обладают  упругой деформацией.

Подбором специальных сплавов удается создать биметаллический термометр с рабочим диапазоном температур от -100 до 600°С.

Для увеличения  длины  пластины  при  сохранении  малых  габаритов  чувствительного элемента его выполняют в виде спирали. В этом случае изменение температуры от t1 до t2 вызывает поворот ненагруженного конца спирали на угол ϕ:

 

Принцип дії металевого термометру полягає  в тому, що вибирають один метал з великим коефіцієнтом теплового розширення, а другий – з малим (наприклад, інварний сплав Н36 – складається з нікелю (Ni, 36 %) заліза (Fe, 64%). Різниця в коефіцієнті термічного розширенні різних металів призводить до вигинання біметалевої пластинки при нагріванні. Якщо до одного кінця пластини закріпити стрілку, то вона буде рухатись в залежності від кута вигинання біметалевої пластинки і показувати відповідну температуру за градуйованою шкалою.

Існує біля 20 способів з’єднання металів між собою: сумісне пластичне деформування, гаряче кування пакету пластин, заливка рідкого металу на тверду поверхню іншого металу, послідовна заливка двох різних металів, пайка, наплавлення, іонне напилювання одного металу на поверхню другого.

Частіше для металевих термометрів використовують термобіметалеві пластини, виготовлені з:

  •  марганцевого сплаву 75%Mn-15%Ni10%Cu (75ГНД) та інварного сплаву (використовують для вимірювання температур в інтервалі );
  •  нікелевого сплаву Ni-Cr (24НХ) та інварного сплаву Н50. (використовують для вимірювання температур в інтервалі );
  •  міді та інварного сплаву Н36 (використовують для вимірювання температур в інтервалі );.

Основний недолік - контакт з вимірювальним середовищем і невелика точність.

3) Термометри опору. Принцип дії цих термометрів оснований на залежності електроопору металів або напівпровідників від температури.

Суттєва перевага термометра опору полягає в тому, що  вимірювальний прилад і місце, де вимірюється температура, можуть розноситись на велику відстань.

Матеріалом для такого термометра буває тонкий платиновий дріт або стрічка, опір яких чутливий до зміни температури. Температурний коефіцієнт електричного опору платини = (r100oC- r0oC)/100r0oC=0.0039 К-1. Часто використовують також чисту мідь з = 0.0044 К-1. Конструктивно дріт або стрічку намотують на електроізоляційний матеріал, кварц.

Використовується для вимірювання середніх температур: Pt – для –263- +1064оС (13.81 К – 903.74 К з точністю 0.001 К), Cu. – для –50- +180оС.

Використовуються також термометри опору на основі напівпровідників (вуглецю, германію та інших). Вони використовуються для вимірювання низьких температур 1 К – 300 К і наднизьких температур 1 К.

Вимірювання термометрами опору зводиться до вимірювання електроструму в замкнутому колі міліамперметром, параметри шкали якого відградуйовані в градусах.

Область вимірювання наднизьких температур за допомогою термометрів опору називається кріометрією. Прецизійне легування Ge методом ядерних трансмутацій дає можливість створення напівпровідникових термометрів опору для вимірювання температури 0.01 К.

Для температур вищих за 100 К використання напівпровідникових термометрів опору не рекомендується через нестабільність їх характеристик.

аряду с термометрами сопротивления из металлических проводников для измерения температуры находят также применение полупроводниковые термометры сопротивления - терморезисторы 2 (2 ГОСТ 106088-75. Терморезисторы.), изготовляемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов: меди ( Cu2O 3), марганца (Mn2O3), кобальта (CoO), никеля (NiO) и др., спрессованной и спеченной при высокой температуре.

Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. при нагревании уменьшают свое сопротивление. При температуре 50° С и ниже значение их температурного коэффициента в 5 -10 раз больше, чем у металлов, что дает сравнительно большое изменение сопротивления в зависимости от температуры.

Сопротивление терморезистора R (Ом) определяется по формуле

 http://www.kipia.info/bibliotek/teplotehnicheskie-izmereniya/glava-vtoraya-izmerenie-temperaturyi/?PAGEN_1=19

где Rн - номинальное сопротивление терморезистора при температуре Т0 = 293 К (20° С), Ом;

е - основание натуральных логарифмов;

В - постоянная, зависящая от свойств полупроводника, К;

Т - температура терморезистора, К.

4) Термопари. 

Термопари відносяться до контактних термометрів. Термопари складаються з двох з’єднаних між собою різнорідних електропровідних елементів – металевих провідників і рідше напівпровідникових (Рис. 1). Дія термопари основана на ефекті Зеєбека – термоелектричному явищі, явищі виникнення терморушійної сили (термоерс) в колі, утвореному з двох електропровідних елементів, з’єднані кінці яких (спаяні або зварені) знаходяться при різних температурах. Докладніше цей ефект розглянемо в лекції, присвяченій електричним властивостям твердого тіла.

У невеликому інтервалі температур термоЕРС E можна вважати пропорційною різниці температур:

E = α12(T2T1), де α12 — термоелектрична спроможність пари (або коефіцієнт термоЄРС).

Діапазонах вимірювання температури термопарами дуже широкий і складає від  декількох К до ~2800 К.

Рис. 1. Схеми включення термопари у вимірювальне коло: а — вимірювальний пристрій 1 підключений з’єднувальними дротами 2 до кінцівок термоелектродів 3 та 4; б — у розрив термоелектроду 4; T1, Т2 — температура «гарячого» та «холодного» контактів термопари

Для вимірювання високих температур, вищих за кімнатну, найпоширенішими є:

* хромель-копель термопара. Хромель – це ГЦК сплав нікелю з хромом (Ni-8.5-9.5%Cr) та іншими невеликими добавками, копель – це мідно-нікелевий сплав (Cu-42.5-44%Ni-0.1-1%Mn-0.1%C). Термопара використовується для інтервалу температур 220-1500 К (верхня межа температури +1100оС);

*хромель-алюмель термопара. Алюмель - це ГЦК сплав нікелю з алюмінієм (Ni-1.8-2.7%Mn-1.6-2.4%Al-0.6-1.2%Co-0.3%Fe-0.3%C). Використовується для інтервалу температур 220-1500 К (верхня межа температури +1100оС);

* платино-платинородійова термопара (Pt/Pt-20%Rh),. Використовується для інтервалу температур 250-1900 К;

* вольфрам-ренійова термопара (W-5-26%Re), інтервал температур 300-2800 К;

* вольфрам-молібденова термопара (W/Mo), інтервал температур 300-3100 К.

Для вимірювання низьких температур, нижчих за кімнатну, найпоширенішими термопарами є:

* термопара мідь-константан. Константан – це мідно-нікелевий сплав Cu-39-41%Ni-1-2%Mn-0.1%C, який характеризується постійним електроопором при зміні температури. Використовується для інтервалу 70-900 К;

* термопара хромель-константан, використовується для інтервалу 25-900 К;

* термопара хромель-золото (0.02-0.07aт%Fe) для інтервалу 1-280 К.

Прилади, які використовують для вимірювання разом з термопарою, це мікровольт метри, або мілівольтметри, шкала яких градуйована в  градусах цельсія або кельвіна. В лабораторних умовах часто застосовують потенціометри. Напруга в мікровольтах або мілівольтах переводиться за відповідними таблицями в температуру.  

5) Пірометри 

бесконтактных.

Все приборы, измеряющие температуру бесконтактным методом, т.е. дистанционно,  обладают  следующими  преимуществами  по  сравнению  с приборами, измеряющими температуру контактными методами:  

1)  имеют  принципиально  неограниченный  верхний  температурный предел измерения;  

2)  обеспечивают  возможность  измерения  температур  излучателей, находящихся на большом расстоянии от пирометра;  

3) не искажают температурное поле объекта измерения;  

4)  могут  применяться  для  измерения  температур  газовых  потоков при больших скоростях.  

На  основании  законов  излучения  разработаны  пирометры  следующих типов:

1. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;

2. пирометр спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра;

3. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;

В зависимости от типа пирометра различаются яркостная, цветовая и

радиационная температуры.  

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения абсолютно черного  тела  равна  плотности  потока  спектрального  излучения  реального  тела

для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения абсолютно черного

тела для двух длин волн  λ1 и λ2 равно отношению плотностей потоков из-

лучений реального тела для тех же длин волн при действительной темпе-

ратуре Тд.

Радиационной температурой реального тела Тр называют темпера-

туру, при которой полная мощность абсолютно черного тела равна полной

энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Пирометры частичного излучения
К  данному  типу  пирометров,  измеряющих  яркостную  температуру

объекта, относятся оптические (квазимонохроматические) и фотоэлектри-

ческие пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин

волн.

Наиболее распространенным прибором этой группы является квази-

монохроматический пирометр с исчезающей нитью (рис. 2.30).

Пирометры спектрального отношения (цветовые)  

В  цветовых  пирометрах,  применяемых  для  промышленных  из-

мерений,  определяется  отношение  спектральной  энергетической  яркости

(СЭЯ) реального тела в лучах двух заранее выбранных длин волн, т. е. по-

казания пирометра являются функцией  . Это отношение для ка-

ждой температуры различно, но вполне однозначно.

fEEλλ12 ( / )

В большинстве случаев для реальных тел кривые  Eλ = f (λ)  при раз-

личных температурах совершенно подобны кривым для абсолютно черно-

го тела; поэтому практически не требуется вводить поправки на неполноту

излучения,  что  является  основным  преимуществом  цветового  пирометра.

]

2.8.3. Пирометры полного излучения (радиационные)

Пирометры полного излучения измеряют радиационную температу-

ру тела, поэтому их часто называют радиационными (или радиометрами).

Принцип действия данных измерителей температуры основан на использо-

вании закона Стефана-Больцмана.

–відносяться до безконтактних приладів вимірювання температури. Це оптичні прилади, які основані на дії світлового випромінювання, яке виникає при нагріванні тіл, на електричні властивості матеріалу приймального пристрою. Тому пірометри працюють  в оптичному діапазоні спектра. Оскільки інтенсивність світлового випромінювання різко зменшується при зниженні температури тіл, то пірометри застосовують головним чином для вимірювання високих температур більших за 1000оС. Для температур більших ніж 3000оС пірометри залишаються майже єдиними приладами для вимірювання. Це пов’язано з тим, що не потребується контакт датчика приладу з тілом, температура якого вимірюється.

Рис. 1. Принципова схема візуального яскравісного пірометра зі зникаючою ниткою: 1 джерело випромінювання; 2 оптична система (телескоп пірометра), 3 — еталонна лампа розжарювання, 4 — фільтр з вузькою смугою пропускання; 5 об'єктив; 6 реостат, яким регулюють струм напруження; 7 вимірювальний прилад (міліамперметр).

Основна умова для застосування пірометрів це виконання закону Кірхгофа:

відношення випромінювальної здатності будь-якого тіла до його поглинальної здатності однаково для всіх тіл при даній температурі для даної частоти і не залежить від їх форми, хімічного складу та ін.

Нагріті метали і рідини задовольняють цій вимозі, їх спектр випромінювання суцільний.

Випромінення  абсолютно чорного тіла підкоряється закону Стефана – Больцмана:

                                   

- ступінь чорноти, яка змінюється від 0.1-1.0

- константа Стефана – Больцмана           = 5.67032

температура, що характеризує випромінення абсолютно чорного тіла називається радіаційною. Вона пов’язана з істиною температурою.

                            

Тr – радіаційна температура

(Т) – сумарний коефіцієнт поглинання

для абсолютно чорного тіла : (Т)=1    = Тr 

для неабсолютного чорного тіла , який випромінює суцільний спектр:  (Т)<1

Пірометри бувають:

яскравісні (дозволять вимірювати температуру в межах 9003000),

кольороваі (у межах 6001400),

радіаційні (у межах 1004000).

Яскравісними пірометрами вимірюється інтенсивність монохроматичного випромінювання, колірними пірометрами визначається відношення інтенсивностей випромінювання тіла на двох різних довжинах хвиль. Радіаційні пірометри вимірюють сумарну інтенсивність випромінювання.

Найбільш поширеними є яскравісні пірометри, які забезпечують найбільшу точність в діапазоні 1000-1000 К При низьких температурах 100 К більш ефективними є радіаційні пірометри.

Чутливими елементами у пірометрах є термопари, болометри, фотоелектричні і піроелектричні приймачі випромінювання. За типом приймача випромінювання різняться конструкції пірометрів. Світлове випромінювання при нагріванні металу впливає на ЕРС термопари або електроопір термочутливого елемента: провідника, напівпровідника, надпровідника (болометри), зміну діелектричної проникності і появу фотоЕРС, зміну спонтанної зарядової поляризації кристалу ( наприклад турмаліна).

Тепловизоры

Тепловидение – это  направление  в  технических  измерениях,  изу-

чающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возмож-

ность наблюдения слабонагретых объектов. Приборы, работающие в этом

направлении называются тепловизорами (термографами). Тепловизоры от-

носятся к оптико-электронным приборам пассивного типа, работающие в

инфракрасном диапазоне спектра излучения.

Принцип их действия основан на преобразовании инфракрасного из-

лучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и авто-

матической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теп-

лового поля объекта (термограмму) для его визуальной и количественной

оценки.

Рис. 3. Найпростіша схема газового термометра: 1 – балон заповнений газом Не або N2, 2 - з’єднувальна трубка, 3 - манометр  для вимірювання тиску.

6) Газові термометри. У газовому термометрі тиск або об’єм ідеального газу залежить від температури за формулою pV = RT, де R – це газова константа. Проста схема газового термометра з постійним об’ємом показана на Рис. 3. В ньому зміна температури пропорційна тиску газу p(T).

За допомогою газових термометрів вимірювання проводять в інтервалі від 2 до 1300 К з точністю 3·10-3 – 2·10-2 К. Газові термометри з такою точністю дуже складні  за конструкцією. На вимірюваннях газовими термометрами побудовані всі сучасні температурні шкали, в тому числи виміряні всі реперні

точки Міжнародної практичної температурної шкали.

Для вимірювання низьких температур використовують газ 4Не або 3Не. Залежність тиску парів гелію у замкнутому просторі від температури не представлена простою аналітичною формулою і тому користуються таблицями. 4Не використовується в термометрах для вимірювання наднизьких температур в діапазоні 15-5.2 К, а 3Не для 0.3-3.3 К.

. Газовые манометрические термометры

Они  предназначены  для  измерения  температуры  от -50 до 600°С.

Термометрическим веществом здесь служит гелий или азот. Принцип ра-

боты  газовых  манометрических  термометров  основан  на  использовании

закона Шарля:

Pt = P0(1+β(tt0)),    (2.9)

где  t0 и t – начальная и конечная температуры;   и Pt  – давление газа при

температурах   и t соответственно; β – термический коэффициент давле-

ния газа (β =1/273,15 или 0,00366 К-1).

Для реальных систем эта линейная связь строго не сохраняется, т.к. с

изменением температуры изменяется объем термобаллона и с изменением

давления – объем манометрической пружины, а также происходит массо-

обмен между термобаллоном и капилляром. Но, поскольку эти изменения

невелики, то можно считать, что шкала газовых манометрических термо-

метров равномерна.

Подставляя  в  формулу (2.9) вместо  Pt  и  t  соответственно  Рн  и  tн,  а

также Рк, tк, получим выражение для величины рабочего давления газового

манометрического термометра:

где Рн и Рк – давления в термосистеме, соответствующее начальному tн и

конечному tк значениям температуры по шкале прибора.

По этой формуле может быть рассчитано начальное давление запол нения системы Рн для заданного диапазона измерения температур. Рн в за-

висимости от диапазона шкалы может быть в пределах от 1 до 3 МПа. Чем

больше Рн, тем больше ∆Р и тем меньше влияние барометрического давле-

ния на показания прибора.

Жидкостные манометрические термометры

В  приборах  этого  типа  всю  систему  термометра  заполняют  термо-

метрической жидкостью под некоторым начальным давлением. В качестве

термометрического  вещества  в  данных  термометрах  используется  ртуть

под давлением 10-15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол,

пропиловый спирт, силиконовые жидкости при Р=0,5-5 МПа. При ртутном

заполнении диапазон измерений -30ч600оС, а для органических жидкостей

-150ч300 оС. Так как жидкость практически несжимаема, объем термобал-

лона  в  жидкостных  термометрах  должен  быть  согласован  со  свойствами

манометрической пружины.

При измерении температуры от t0 до t из термобаллона вытесняется

жидкость объемом

Конденсационные манометрические термометры

В качестве манометрического вещества в этих термометрах исполь-

зуются легкокипящие жидкости (пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол,

хлористый метил и т.д.). Диапазон измерения -50ч350°С. Специально из-

готовленные термометры применяются для измерения сверхнизких темпе-

ратур от 0,8 К.

Термобаллон термометра заполнен конденсатом примерно на 70-75%

объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости.

Капилляр опущен в термобаллон так, что его конец находится в жидкости

и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллоне оста-

ется часть жидкости.

Принцип работы конденсационных термометров основан на зависи-

мости давления Р насыщенного пара низкокипящих жидкостей от темпе-

ратуры:

Різновидністю газового термометра є осмотичний термометр. За осмотичним тиском 3Не  в суміші 3Не +4Не вимірюють температури 0.03-0.1 К з точністю 0.002 К Чутливість осмотичного термометра становить 0.01 мК.

Різновидністю газового термометра також є акустичний термометр, оснований на зв’язку термодинамічної температури від швидкості звуку в газі.

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/113803/Низкие

Измерение низких температур. Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит Газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи. Первичные прецезионные термометры используются в основном для определения температур легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (См. Международная практическая температурная шкала) (МПТШ-68). В области Н. т. такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13, 81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы (См. Атмосфера) (17,042 К), точка кипения TN равновесного водорода (20,28 К), TN неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К), TN кислорода (90,188 К).

        Для воспроизведения любого значения температуры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью Низкие температуры 0,001 К служит платиновый Термометр сопротивления. В диапазоне Н. т. температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01 К. МПТШ-68, пока не продлена ниже 13,8 К, ввиду отсутствия в этой области Н. т. вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах. В диапазоне 0,3—5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5—5,2 К (шкала 4He, 1958) и 0,3—3,3 К (шкала 3He, 1962). Зависимость ps (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

        В области Н. т. для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К — медный; в области водородных и гелиевых температур — вплоть до 1 мК — угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

        Существует ряд др. чувствительных к изменениям температуры устройств, которые могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения Н. т.: термопары (См. Термопара), Термисторы, полупроводниковые диоды (См. Полупроводниковый диод), датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

        Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамической температуры в этой области используют магнитные и ядерные методы. В магнитной термометрии (См. Магнитная термометрия) пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости (См. Магнитная восприимчивость) χ парамагнитной соли. Согласно Кюри закону, при достаточно высоких температурах χ Низкие температуры 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости. Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК. В основе ядерных методов измерения Н. т. лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии (См. Уровни энергии) системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса (См. Ядерный магнитный резонанс), определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В др. методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (Мёссбауэра эффект) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

http://encyclop.ru/76815

В диапазоне криогенных (ниже 90 К) и сверхнизких (ниже 1 К) температур, кроме обычных методов измерения температур, применяются специфические (см. Низкие температуры). Это — магнитная термометрия (диапазон 0,006—30 К; точность до 0,001 град); методы, основанные на температурной зависимости Мёссбауэра эффекта и анизотропии g-излучения (ниже 1 К), термошумовой термометр с преобразователем на Джозефсона эффекте (ниже 1 К). Особой сложностью Т. в диапазоне сверхнизких температур является осуществление теплового контакта между термометром и средой.

7) Магнітні термометри. Для вимірювання наднизьких температур поблизу абсолютного нуля використовують методи, основані на магнітних і ядерних явищах. Одним з таких методів є магнітна термометрія. В основі магнітної термометрії лежить метод визначення температури через вимірювання магнітної сприйнятливості парамагнетика. Для цього підбирають такі парамагнетики, у яких залежить від температури за простим законом Кюрі .= С/T. Як правило така залежність існує при гелієвих температурах.

Для  вимірювання парамагнітної сприйнятливості парамагнітну речовину розміщують в соленоїді (Рис. 4).

Рис. 4. Схема магнітних ваг для вимірювання сприйнятливості в області низьких температур: 1 - полюси електромагніту; 2 - досліджуваний зразок; 3 - кварцова нитка; 4 - розтяжки; 5 - коромисло; 6 і 7 - гайки; 8 - демпфер; 9 і 10 - стрижень і котушка компенсаційного пристрою; 11 - ковпак; 12 - посудина Дьюара.

Магнітні ваги, прилади, що діють за принципом маятникових, крутильних або важільних ваг і застосовуються для вимірювання магнітної сприйнятливості тіл, анізотропії сприйнятливості. Сприйнятливість магнітного матеріалу визначається по силі, з якою досліджуваний зразок, що має форму довгого циліндра, втягується в поле електромагніту (метод Гуї), або по силі, що діє на зразок малого розміру, поміщений в неоднорідне магнітне поле (метод Фарадея). Зазвичай користуються нульовим методом вимірювань, компенсація сили або моменту сил в цьому методі здійснюється силою взаємодії спеціальних електромагнітів. Градуювання М. в. проводять за допомогою стандартних речовин з відомою магнітною сприйнятливістю, визначеної за їх кривим намагнічування. На малюнку зображена одна з конструкцій важільних М. в. для вимірювання магнітної сприйнятливості в області низьких температур.

4.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ОРГАНИЗМОВ

Измерение магнитной восприимчивости (x) слабо-магнитных органических веществ можно проводить, используя два основных метода (Чечерников, 1969). Первый из них (метод Фарадея - Секстима и его модификации) позволяет получить абсолютные показатели магнитной восприимчивости и основан на измерении механической силы, действующей на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле; второй (метод Гуи и его аналоги) дает относительные величины магнитной восприимчивости, регистрируя механическую силу, воздействующую на объект в однородном поле.

B неоднородном поле с высоким градиентом напряженности на тело с магнитным моментом M действует сила, составляющая которой по оси
a (a=xyz) равна:



где
M — магнитный момент, H — напряженность магнитного поля,

градиент поля. Так как магнитный момент M определяется формулой

M = om = mxH,

где
m — масса образца, o — удельная намагниченность, x — магнитная восприимчивость, H—напряженность магнитного поля, то первоначальное соотношение можно отразить в виде

а если учесть восприимчивость воздуха —

где X1 и X2 — соответственно магнитная восприимчивость образца и воздуха,

— величина максимального градиента поля. Измерив силу F и зная величину максимального градиента поля, можно найти значение магнитной восприимчивости исследуемого вещества.

Определение величины магнитной восприимчивости в неоднородном поле представляет большие трудности
ввиду того, что область, где значение

приблизительно постоянно, имеет очень ограниченные размеры. Помимо подбора минимального диаметра исследуемых объектов при измерении абсолютных показателей магнитной восприимчивости в неоднородном магнитном поле требуется специальное устройство, передвигающее и фиксирующее их в точке с максимальным градиентом поля. Все эти сложности делают метод Фарадея — Секстима и его модификации неприемлемыми для быстрого й широкого использования.

Легче измерить относительную величину магнитной восприимчивости в сильном однородном магнитном поле,
где величина

практически не имеет никакого значения и определять которую нет надобности. B этих случаях используют эталонное вещество с известной магнитной восприимчивостью. Тогда определение магнитной восприимчивости производится по формуле

где x и xo — удельная магнитная восприимчивость, a m и mо — массы исследуемого образца и эталона соответственно.

Применяя относительный метод Гуи, порошком ткани, крови, высушенной массой микроорганизмов или растений заполняют стеклянную пробирку длиной 100 мм и диаметром 8 мм. Магнитную восприимчивость жидкостей измеряют в пробирке 150,0 X 20,0—30,0 мм. Если замеры магнитной восприимчивости проводятся при различных температурах, то нижняя часть пробирки должна иметь небольшой балластный объем, вследствие чего ее вакуумируют. При измерениях магнитной восприимчивости верхняя часть пробирки с порошком помещается в область максимального поля, а нижняя, вакуумированная, должна находиться вне поля, а точнее, в точке, где его напряженность приблизительно равна нулю. B этом случае сила, действующая на образец, направлена вдоль его длины:



где S — площадь поперечного сечения образца.

Для определения силы F, действующейна образец в магнитном поле, использовали аналитические весы АДВ-20, к левой чаше которых прикреплялась тонкая медная проволока для подвешивания закрытой притертой пробкой вакуумированной пробирки с биомассой. После уравновешивания рабочей пробирки и ее стабилизации включали электромагнит с напряженностью поля в средней точке зазора 4-105 А/м. Отсчет отклонений стрелки весов по делениям оптической шкалы до и после включения электромагнита производился не менее 5 раз.

Магнитная восприимчивость биомассы определялась в нескольких измерениях с учетом Магнитовосприимчивости пустой пробирки и биологического объекта. B качестве абсолютного эталона при проверке весов употреблялась дважды вымороженная бидистиллированная вода (x=—0,721-10
-6). Эталоном для относительных измерений служил химически чистый глицерин (x=' = —0,563-10-6). Bo всех случаях навеска опытного вещества составляла 0,5 г тонко измельченного в фарфоровой ступке порошка. Материал, подлежащий измерению магнитной восприимчивости, извлекался и при надобности измельчался неферромагнитными стеклянными или пластмассовыми инструментами. Кровь, молоко, органы и ткани животных и человека, биомасса растений и культуры микроорганизмов высушивались до постоянного веса в химически чистых стеклянных чашках Петри или фарфоровых ступках в автоматически регулируемых сухожаровых камерах при одном и том же температурном режиме, начиная с 50 и заканчивая 80 0C. Точность измерения магнитной восприимчивости в наших опытах находилась в пределах ±0,006-10-6.

8) Ядерна термометрія основана на принципах квантової статистичної фізики ,

1 грець. слово – поворот, перетворення.

2 Наприклад, в магнітному полі магнітні моменти атомів будуть частково вишикуватись (упорядковуватись) уздовж напрямку поля, тобто ентропія буде зменшуватись. І навпаки, вона буде збільшуватись, якщо магнітне поле вимкнути. В статистичній фізиці ентропія системи з великою кількістю частинок визначається через логарифм статистичної ваги  (термодинамічна імовірність стану) даного рівноважного стану .

PAGE  1

Дата друку  PRINTDATE \@ "dd.MM.yyyy H:mm:ss" 19.06.2013 5:13:00 FILENAME \p K:\new_физ_властив_и_мет_досл\lek_6\Лекц_3.doc


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4860. Развитие языков программирования. Роль С++ в контексте современного программирования 49.5 KB
  Развитие языков программирования. Роль С++ в контексте современного программирования. Под программой будем понимать набор данных и инструкций, выполняемых вычислительным устройством с целью преобразования данных в рамках некоторой задачи, решае...
4861. Общая схема работы компилятора С++. Назначение и функционирование редактора связей. Загрузчик 52 KB
  Общая схема работы компилятора С++. Назначение и функционирование редактора связей. Загрузчик. Для оптимизации процесса перевода программы с С++ на машинный язык процесс трансляции разбивают на два этапа: промежуточная трансляция в набор объектных м...
4862. Среда разработки. Работа с проектами. Компиляция программы. Запуск программы 719 KB
  Среда разработки. Работа с проектами. Компиляция программы. Запуск программы. В принципе, для создания работающей программы на языке С++ достаточно написать исходный код в любом текстовом редакторе, передать все модули с исходным кодом программы ком...
4863. Структура программы C++. Служебные слова. Комментарии. Базовые типы данных и операции над ними 75.5 KB
  Структура программы C++. Служебные слова. Комментарии. Базовые типы данных и операции над ними. Логические операции. Побитовые операции. Преобразование типов. Базовый ввод, вывод. Служебные слова. Язык С++ имеет набор зарезервированных служебных сло...
4864. Условные операторы и операторы цикла 40.5 KB
  Условные операторы и операторы цикла. Условные операторы. Язык С++ располагает несколькими условными операторами, позволяющими организовать ветвление в программе. Оператор if реализует простое ветвление, относительно выполнения условия: if ( условие...
4865. Системы счисления. Двоичная система счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Машинное представление базовых типов С++ 67.5 KB
  Системы счисления. Двоичная система счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Перевод целой части. Перевод дробной части. Машинное представление базовых типов С++. Системы счисления. Под числом понимают некоторую абстрактную меру...
4866. Одномерные и многомерные массивы 36.5 KB
  Одномерные и многомерные массивы Массив представляет собой набор переменных одного типа. Элементы массива размещаются в памяти последовательно и индексируются начиная с 0. Доступ к элементам осуществляется напрямую по индексу. Размерность массива оп...
4867. Массивы символов. Работа со строками 47 KB
  Массивы символов. Работа со строками. Несмотря на то, что в состав стандартной библиотеки С++ входит специализированный тип данных для работы со строками string, очень часто для работы со строками используются массивы символов (char). Считается, что...
4868. Указатели. Адресная арифметика. Ссылки 41 KB
  Указатели. Адресная арифметика. Ссылки. Указатели – особый тип данных. Указатель хранит адрес, по которому в памяти располагается некоторый объект (переменная, массив, функция). Можно упрощенно представить память компьютера в виде массива после...