Термометрия - понятие и принципы

Термометрия Цель работы: Углубить представления о температуре, изучить принципы и о своить некоторые методы измерения температуры. Оборудование: Жидкостные тер мометры, термопара, термометр сопротивл е ния, термистор, оптический пирометр «Промiнь», лампа накалив ания с бл о ком питания, электр оплитка, потенциометр постоянного тока ПП-63, аккум у лятор, мост реохордный Р – 33, блок питан ия ВСШ на 4 и 6 В, индикатор с о про тивления ММВ, металлический стаканчик и другие принадлежности. 1.Теоретическая часть 1.1 Понятие температуры . Температура в обычном понимании характеризует сте пень нагретости т е ла. Строго е определение температуры даётся в молекулярно– кинетической теории, где под температурой понимают меру средней кинетической энергии посту пательного движения молекул идеального газа: < е> = (3\2) kT , где k = 1.38·10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана, m – масса мо лекулы, V – скорость её поступательного движения. Из последнего определения ясно, что обычная измеренная температура от носится к огромному числу молекул и даёт определение об их средней к и нетической энергии. Понятие тем пературы применимо таким образом только к массиву молекулы поэтому тем пература является макроскопическим пар а метром состояния вещества. 1.2 Принципы термометрии . 1.2.1 .Термометрические параметр ы. Измерение температуры обычно производится косвен ным 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: выбра нный параметр должен существенно, непрерывно, однозначно и просто измен яться прост ы ми средствами; и змерен6ия величины параме5тра не должно вносить знач и тельных изменений в температурный реж им измеряемой среды. Список наиболее употребляемых термометрических параметров имеет сле дующий вид: - объём тела ( тепловое расширение, , жидкостные и газовые температуры); - электрическое сопротивление ( R=R 0 (1+ я t), проводники-терморе зисторы и полупроводники-термисторы ); - термо ЭДС ( термопары или термоэл ементы, Т эдс =сt); - линейные размеры ( линейное расш ирение L=L 0 (1+ я t), биметаллические пл астины); - спектр излучения ( энергетическа я светимость R э = я T 4 , спектральный с о став я min = b/T, радиационный, яркостный и цветовой пир ометры ); Применяются также зависимость от те мпературы скорости распростран е н ия звука, показателя преломления света веществом и многие другие п а раметры. К внешним принципам методики термом етрии относится строгое соблюд е ни е следующего условия – термометрическое тело и среда должны войти в сос тояние теплового равновесия. Поэтому очень важно, чтобы тепловая «инерц » измерительного прибора была незначительной, тогда он скорее примет температуру измеряемой среды, а собственная теплоёмкость – мин имальной, при этом он не внесёт искажений в состояние среды. В отдельных случаях, при точных и локальных измерен иях геометрич е ские размеры р абочей части термометра должны быть точечными. 1.2.2 Температурные шкалы. В настоящее время применяются несколько температу рных шкал, отлич а ющихся выбо ром опорных ( реперных ) точек. В школе Цельсия интервал между точкой плавл ения льда и точкой кипения воды при нормальном давл е нии делится на сто равных долей – град усов Цельсия ( 0 С). В шкале Фаре н гейта за нуль принимается темпе ратура смеси льда и соли ( -32 0 С), а то чка кипения воды принимается за 212 градусов. Третья шкала – это наиболее употребляемая в научной литературе абс о лютная шкала температур. Физ ический смысл нулевой температуры в этой школе – полное отсутствие мол екулярного движения. Связь между температурными шкалами имеет вид: Т с = (5/9) Ч (T F -32); T F =32+(9/5) Ч T c ; T c =t=T k -273 1.3 Виды термометров. 1.3.1 Газовые термометры. Наиболее строго требованию линейн ой и существенной зависимости от температуры отвечают параметры идеал ьного газа – объём и давление. Пов е дение реального газа при небольших давлениях и достаточно высоких темп е ратурах практически не отличаетс я от поведения идеального газа . При этой причине газовые температуры ис пользуются как эталонные, по ним граду и руют и проверяют другие термометры. Простейший газовый термометр может представлять с обой запаянную с одной стороны трубку, в которой некоторая масса газа от делена от атмосф е ры капелько й ртути (рис.1). При нагревании газ расширяется, а его давление остаётся рав ным атмосферному. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева об ъём и температура находятся в состоянии : v =(mR/мр) Ч T . Для конкретного тер мометра выражение в скобках играет роль постоянного к о эффициента, 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 рав новесия, определяют объём v и по графику T = f(v) находят Т. На практ и ке часто линейка Л служит шкалой температур. 1.3.2. Жидкостные термометры . Если ёмкость газового термометра заполнить жидкос тью с достаточно большим коэффициентом теплового объёмного расширения , то полученный прибор станет жидкостным термометром. В настоящее время такими жидк о стями является р туть, или подкрашенные спирт, толуол, пентан и некоторые другие вещества. Для повышения чувствительности и точности измерений термометр с о стоит из двух сообщающихся объё мов, один из которых содержит основную массу жидкости, а второй служит ин дикатором изменения объёма ( см. рис. 2 ), для чего ему придаётся форма цилин дра капиллярных размеров. Жидкостные термометры запаяны с обеих концов, поэтому более удобны в о бращении, что послужило причиной их широкого распространения. К недостатком их можно отнести нелинейность температурной зависим о сти объёмов, что делает необх одимым калибровать их по газовым термоме т рам. Они отличаются также инерционностью (время вхождени я в равнове с ное состояние со средой не менее 10 минут ), большой собственной теплоё м костью до 10 Дж/К и размерами рабочей час ти. Диапазон их работы огран и чен с одной стороны температурой кристаллизации, а с другой – температ у рой кипения жидкости. 1.3.3. Твердотельные термометры. 1.3.3.1. Биметаллические термометры - используют различие в коэффиц и ентах теплового линейного расширения разных металлов. Скреплённые вм е сте, как показано на рис.3, пластинки при изменении температуры и згибаю т ся или закручиваются . Величина деформации зависит от температуры, п о этому снабдив пластины механизмами и шкалами можно с нимать прямые п о казания темп ературы. Достоинства биметаллических термометров – простота изготовления, м е ханическая прочность. Возмо жность встраивания в системы автоматики и т е лемеханики. Недостатки – низкая чувствительность, проя вление «усталости» металлов и отсюда – необходимость частой проверки и калибровки по эт а лонным те рмометрам. 1.3.3.2. Термопары – представляют с обой два различных проводника, соед и ненных сваркой или пайкой. Металлы должны иметь как можно больш ую разницу в работе выхода электронов, тогда между ними устанавливается ко н тактная разность потенци алов, величина которой зависит от температуры з о ны контакта. Для термопары используют обычно хорошо изученные пары металлов, например, медь констант, хромель-алюмель, плати на-родий и др у гие. Для измере ния температуры термопарой её спай вводится в исследуемую среду, разнос ть потенциалов её свободных концов измеряется каким либо п о тенциометром или переводится в градус ы посредством градуировочного гр а фика или переводного коэффициента я , по лучаемого из формулы ЭДС= я Т. Для абсолютных измерений термопару калибруют по газовому или иному эт алонному термометру. Значительно чаще приходится измерять разность те мператур, тогда применяют дифференциальную термопару. Она предста в ляет собой две одинаковые термо пары, включённые навстречу друг другу ( рис.4 ). Спаи помещают в те места, раз ность температур которых необходимо измерить. Если спай одной из них пом естить в среду с известной и стабил ь ной температурой, например, в тающий лёд, то после соответствующ ей гр а дуировки дифференциал ьной термопарой можно производить и абсолютные температурные измерени я. Достоинства термопар – малые, практич ески, точечные размеры рабочего тела, малая инерционность и теплоемкост ь, возможность дистанционных и з мерений, большой диапазон измеряемых температур – от сверхнизких до точки плав ления применяемых металлов. Недостаток – зависимость терм о ЭДС от температуры носит нелинейный характер, чт о влияет на точность и з мерений. 1.3.3.3. Термометры сопротивления ис пользуют свойство чистых металлов сплавов и полупроводников менять св оё сопротивление при изменении те м пературы. Для металлов это свойство описывается выражением R=R 0 Ч (1+ я t), где R 0 - сопротивление п ри 0 С, я - температурный коэффициент сопроти в ления данного металла, t – темпе ратура по шкале Цельсия. Для металлов в е личина я равна 0.4-0.6% при изменении те мпературы на один градус. Для полупроводников зависимость иная – с рост ом температуры сопротивление убывает, причём, более существенно ( в 8-10 раз ), чем у металлов. Термометры сопротивления уступают термопарам по инерционности, со б ственной теплоёмкости, разм ерами. Нелинейность зависимости R = f(t) у них больше, поэтому точность измере ния ниже. К достоинствам можно отнести измерительную схему, где за счёт и спользования внешнего источника можно повысить чувствительность изме рений. Как правило измерение производит ь ся мостовым методом. 1.3.4. Оптическая термометрия. При наличии теплового движения молекул вещества т ело всегда является источником электромагнитного излучения. Интенсивн ость этого излучения и его спектральный состав связаны с температурой. Д ля идеализированного абсолютного чёрного тела энергия, излучаемая с ед иницы поверхности в единицу времени определяется законом Стефана-Боль цмана: R э = я T 4 ,где , я - постоянная величина, Т – абсолютная температура. Основанные на этом з а коне термометры носят название радиационных пироме тров (рис.5). Измерить величину R технически очень трудно, поэтому более распр о странены яркостные пирометры, в которых яркость свечения исследуемого тела сравнивается с яркостью те ла, температура которого известна. Схемат и чески устройство яркостного пирометра показывает рис.6. Обычно в качестве тела сравнения берут вольфрамовую нить специальной э лектролампы, пит а емой от ста бильного источника тока. Меняя ток этой лампы можно выро в нять её яркость с яркостью исследуемо го тела, в этом состоянии температуры тел одинаковы. Температуру нити ла мпы сравнения определяют по току, при этом шкалу миллиамперметра градуи руют непосредственно в градусах. Пирометр представляет собой зрительную трубу, позволяющую рассма т ривать удаленные объекты. Нить л ампы сравнения устанавливается в ф о кальной плоскости окуляра. В эту же плоскость вращением объект ива пр о ецируется изображени е объектива. При правильной настройке оптической части нить лампы сравн ения наблюдается на фоне объекта. Нить лампы сравнения нельзя нагревать выше определенной температуры (1400 0 С), поэтому для расширения пре дела измеряемых температур в оптич е скую схему пирометра включают светофильтр, ослабляющий яркост ь иссл е дуемого тела с точно и звестной кратностью. Яростный пирометр показывает действительную температуру лишь тогда, когда тело и нить одинаково близки по оптическим свойствам к абсолютно ч ерному телу. Поэтому для получения истинного значения температуры в пол ученный результат вводят поправку, которая зависит как от материала и з лучающего тела, так и от его т емпературы. В данном случае для этого и с пользуют специальные таблицы ( см. приложение. ). Сначала по та блице 1 выбирают коэффициент излучательной способности я , зависящий от матер и ала излучающего тела. Затем по таблице 2 находят истинное значен ие темп е ратуры. При этом испо льзуют метод интерполяции – усреднения. Пусть, например, излучающий мат ериал – никель, а показанная пирометром темп е ратура 1550 0 С. То гда по таблице 1 находим я =0.36, а с помощью табл. 2 в ы числяем истинную температуру к ак бы «организуя» недостающие строки и колонки в табл. 2. Измеренная темпе ратура лежит в интервале 1400-1600 0 С. И з колонок 1400 и 1600 берем значения для я =0.35 и 0.40 и вычисляе м скол ь ко градусов приходитс я на 0.01 излучательной способности. (( 1550-1530 )/(0.40-0.35)) Ч 0.01=4 0 С; (( 1790-1760)/( 0.40-0.35)) Ч 0.01=6 0 С Строим дополнительный фрагмент табл.2 1400 1600 0.35 1550 1790 0.36 1546 1784 0.37 1542 1778 и т.д. По средней строке полученной таблицы находим истинную температуру В отдельны х случаях применяют так называемый цветной пирометр, когда температуру определяют на основании закона Вина, связывающий темпер а туру излучающего тела с длиной волны, н а которую приходится максимум его излучатель ной способности. Цветной п ирометр включает в себя спе к тральный прибор, разлагающий нагретого тела в спектр, и фотоэлектронную приставку, измеряющую распределения интенсивности в этом спектре. Опт и ческие пирометры имеют невы сокую точность, но позволяют производить дистанционные измерения, что в о многих процессах металлургии, в химии, физике и астрономии очень актуа льно. 2. Практическая часть. 2.1.Температурные шкалы а) Какова температура человеческого тела в шкалах Цельсия, Кельвина и Ф а ренгейта? б) Сколько градусов Цельсия в одном градусе Фаренгейт а? в) Переведите 50 0 F в градусы Кельвина. 2.2 Градуировка термометра сопротивления. Термометр сопротивления изготовле н из тонкой медной проволоки, нам о т анной на бумажный каркас, помещенный в защитный стеклянный футляр ( в про бирку ). В холодном состоянии сопротивление провода близко к 80 Ом. Сопротивления термометра в данной работе измеряет ся при помощи и н дикатора соп ротивления ММВ ( рис. 7 ). П равила пользования прибор ом. - Источником питания индикатора служит батарея 3336. Питание индикат о ра также может осуществляться от в нешнего источника с напряжением 3.8-4.4В. - Пер ед началом работы установить индикатор в горизонтальное полож е ние. - Проверить соответствие нулевог о положения указателя гальванометра и, при необходимости, установить ук азатель на нулевую отметку шкалы при помощи корректора К. - Подключить термометр сопротивл ения к А и В. - Поставить в соответствующее пол ожение переключатель диапазона Д, нажать кнопку Кн. и вращать ручку пере хода от тех пор, пока стрелка не становиться на нулевую отметку. Величина измеряемого сопротивления равна произведению отсчета по шкале реохорд а и по рукоятке переключ а тел я диапазона измерения. При измерен иях на средней отметке «5» шкалы реохорда основная погре ш ность не превышает 2%. Для градуировки термометра сопротивления соберите установку, показа н ную на рис.8а. Жидкостный терм ометр вставляете в отверстие в крышке пр о бирки. Пробирку, укрепленную в лампе штатива, опустите в алюм иниевый сосуд с водой. Сосуд устанавливается на электроплитку. Включите электроплитку в сеть. Электроплитка может быть включена ч е рез ЛАТР ( лабораторный автот рансформатор ), с помощью которого можно подавать напряжения и регулиров ать скорость нагревания воды. По мере нагревания через каждые 10 0 измеряете и записываете сопротивлен ие терм о метра сопротивления ( таб. 1 отчета ). По полученным данным постройте градуировочный график термометра соп ротивления, откладывая по горизонтальной оси температуру, а по верт и кальной – величину сопротивле ния. Если экспериментальные точки имеют некоторый разброс, следует «не г лаза» провести прямую. Такой градуирово ч ный график позволяет измерять температуру среды, в которую может быть помещен термометр сопротивления. По градуировочному графику определите температурный коэффициент соп ротивления меди: ( град -1 ). Значения t 1 и t 2 и соответствующие им значения сопротивле ний R 1 и R 2 в ы бираются п о графику произвольно. 2.2 Градуировка термистора. Термистор – это полупроводниковы й прибор, сопротивление которого з а висит от температуры. В работе используется термистор марки ММТ – 4. В холодном состоянии его сопротивление приблизительно равно 1кОм. Гр аду и ровка выполняется на установк е, описанной в задании 1. По полученным экспериментальным точкам ( таб. 2 отчет а ) постройте градуировочную кривую. Следует учитывать, что зависимость сопротивления термистора от температуры имеет нелинейный характер и с оединять точки следует не прямой линией, а плавной кривой. 2.3. Градуировка термометры. В работе используется хромель-алюме левая дифференциальная термопара. Для выполнения градуировки соберите установку, показанную на рис.8б. Обычно «холодный» спай термопары погруж ается в тающий лед и выпо л ненная в э том случае градуировка является «стандартной», т.е. полученной в строго определенных условиях. Она позволяет определять температуру в граду сах Цельсия, начиная с 0 0 .В нашей работе «холодный» спай погружен в воду комнатной температуры и, строго говоря, полученная градуировка спр а ведли ва только при данной комнатной температуре. «Горячий» спай «скрепите» с помощью прищепки с жидкостным терм о метром и погрузите в сосуд с водой, устано вленный на электроплитке. Эле к тро плитка может быть подключена через ЛАТР(лабораторный автотрансфо р матор), на котором устанавливается на пряжение 150-180В для более медле н ного нагревания . Для измерения термо ЭДС в данной работе используется потенциометр пос тоянного тока ПП-63. При измерениях следует выполнять следующее: - Перед началом работы установ ите корректором стрелку с гальванометром на «0».Прибор установите в гори зонтальное положение. - Соблюдая полярность подключи те источник питания- аккумулятор, к клеммам «БП» (батарея питания) потенц иометра.(В переносном варианте могут использоваться встроенные элемен ты тока).Тумблер «БП» перев е дите в п оложение «Н»- наружный. - Тумблер «НЭ» – нормальный эл емент, переведите в положение «В»- вну т ренний. Клеммы «БИ» и тумблер под ними в данном случае не задейств о ваны - Тумблер «Питание 1,2-1.65В» переве дите в положение «ВКЛ». - Подключите термопара к клемм ам «Х».Переключателем введите измер и тельное сопротивление 0,6 Ом. Оно приблизительно равно сопротивлен ию хромель-алюмелевой термопары. - Переключатель рода работ пос тавьте в положение «Потенц»-потенциометрические измерения. - Штекер делителя поставьте в п оложение 0,5.При этом отсчитанное по прибору напряжение необходимо умнож ать на 0,5. - Провести установку рабочего тока потенциометра, для чего: а) установить переключатель «К-И» в положен ие «К»-контроль; б)установить стрелку гальванометра на «0» вращением рук ояток «Грубо» (верхняя) и «Точно» (нижняя) реостата «Рабочий ток», вначале принажатой кнопке «Грубо», а затем «Точно». (Кнопки можно зафиксировать в нажатом положении, п о вернув их в т у или другую стороны).\ - Для измерения термо ЭДС перек лючатель «К-И» переведите в положение «И» – измерение. Пока температуры спаев термопары одинаковы и на обеих шкалах потенциометра установлены нули, при нажатии кнопок «Грубо» и «Точно» стрелка гальванометра не откл оняется. При нагревании одного из спаев термопары появляется термо ЭДС и стрелка гальваноме т ра отклоняетс я при нажатой кнопке «Точно». - Вращением рукоятки «0-2 мВ» и пе реключением ручки «0-48 мВ» необх о ди мо вернуть стрелку гальванометра на нуль. После этого производится отсч ет показания, - суммируются показания обеих шкал. Записав нач альную температуру и сбалансировав потенциометр, вкл ю чите электроплитку. В ходе измерения произв едите измерения термо ЭДС при различных температурах (7-9 точек в пределах до точки кипения воды). По полученным данным постройте градуировочный график для терм о пары. Прямую можно провести на глаз. Дополнительное задание: получите и постройте градуировочную кривую по результатам измерений при охлаждении термопары от точки кипения воды д о 40- 30 0 С. Объясните расхождение с первым графиком. По графику определите удельную термо ЭДС хромель-алюмелевой те р мопары я = я Е/ я t (мВ/град), используя люб ые две точки градуировочного графика. Использую градуировочный график, измерьте температуру вашего тела, заж ав спай термопары пальцами. 2.4. Определение температуры оптическим пирометром. Исследуемое тело – вольфрамовая нить лампы накаливания КГМ. Лампа п и тается от блока питания при пониженном напр яжении. - Включите питание лампы КГМ. И у становите средний режим её работы. - Включите питание пирометра (« спуск» пистолета) и вращением барабана реостата установите небольшое с вечение нити пирометрической лампы. Вращением кольца окуляра добейтес ь резкого изображения нити пироме т ра. - Наведите пирометр на исследу емый источник так, чтобы совместились нить накала лампы КГМ и пирометрич еской лампы. Вращением объектива добейтесь резкого изображения нити ис следуемой лампы. - Введите красный светофильтр. - Вращением барабана реостата выровняйте яркости нитей накала – нить пирометра при этом должна исчез нуть на фоне раскаленной нити лампы КГМ. - Снимите показания со шкалы пи рометра. - Если исследуемое тело раскал ено слишком сильно и выровнять яркости не удается, введите в световой по ток ослабитель. В этом случае снимать п о казания нужно по другой шкале. - С помощью таблиц (см. приложени е), используя метод интерполяции определите истинную температуру нити н акала лампы КГМ. ПРИЛОЖЕНИЯ Спектральная (монохроматическая) излучательная способность некоторых металлов в красных лучах с длиной волны я =0,65 мкм.(таблица 1) Таблица 1 Материал Спектральная изл учательная способность материалов, я Вольфрам 0,43 Железо 0,35 Никель 0,36 Зависимость действительной температуры от яркостной температуры, изм е ренной оптическим пирометром, при различных значениях коэффициентов излучательной способности я для я =0,65 мкм. (таблица 2) Таблица 2 Коэффициент излучательной с пособности я Измеренные яркостные тем пературы, 0 С 1200 1300 1400 1600 1800 2000 0,25 1350 1480 1600 1850 2120 2380 0,30 1330 1450 1570 1820 2070 2330 0,35 1310 1430 1550 1790 2030 2280 0,40 1300 1410 1530 1760 2000 2240 0,45 1280 1400 1510 1740 1970 2210