Termometrie

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 19 decembrie 2021; verificările necesită 2 modificări .

Termometria este o ramură a fizicii aplicate și a metrologiei , dedicată dezvoltării de metode și mijloace de măsurare a temperaturii . Sarcina termometriei include: stabilirea scalelor de temperatură , crearea standardelor, dezvoltarea metodelor de calibrare și calibrare a instrumentelor de măsurare a temperaturii .

Istorie

Temperatura nu poate fi măsurată direct. În acest sens, termometria în dezvoltarea sa a parcurs un drum lung și dificil de a obține unitatea măsurătorilor de temperatură. Din cele mai vechi timpuri, este cunoscută metoda de evaluare calitativă a temperaturii folosind senzații tactile. De aici și conceptele: cald, cald, rece. Pe baza percepției senzoriale a fenomenelor naturale au apărut conceptele: frigul iernii, căldura verii, răcoarea serii, căldura roșie și albă, căldura (în raport cu temperatura corporală ridicată în timpul bolii).

În Evul Mediu a fost descrisă în mod repetat o experiență în care se propunea ținerea unei mâini în apă caldă și a cealaltă în apă rece, iar apoi scufundarea ambelor mâini în apă amestecată. Drept urmare, prima mână a simțit apa amestecată ca rece, iar a doua ca fiind caldă. În ciuda sensibilității ridicate a corpului la schimbările temperaturii corpului (până la ), o măsurare cantitativă a temperaturii folosind senzațiile noastre este imposibilă, chiar și într-un interval foarte restrâns. $0{,}1\,\mathrm {K}$

Nevoia de măsurare a temperaturii în scopuri cognitive și aplicate a apărut la mijlocul secolului al XVI-lea. Pentru astfel de măsurători, a fost necesar să se folosească dependența funcțională de temperatură a unui parametru cunoscut din observații. Capacitatea aerului de a se extinde atunci când este încălzit a fost cunoscută încă din secolul I de Heron din Alexandria . Prin aceasta el a explicat de ce se ridică focul. În 1597, Galileo a propus un termoscop pentru cercetarea temperaturii, care consta dintr-un recipient de sticlă umplut cu aer, conectat printr-un tub subțire la un vas umplut cu un lichid colorat. Modificarea temperaturii cutiei a determinat o modificare a nivelului lichidului colorat. Un dezavantaj semnificativ al acestor termometre a fost dependența citirilor lor de presiunea atmosferică. Designul termometrului, similar cu termometrele moderne din sticlă lichidă, este asociat cu numele unui student al lui Galileo, Ducele de Toscana Ferdinand ll. Termometrul era un vas de sticlă sigilat umplut cu alcool cu un capilar orientat vertical. Diviziunile de grade au fost aplicate cu picături de smalț direct pe tubul capilar.

Baza metrologică a termometriei a fost pusă de medicul padovan Santorio . Cu ajutorul termoscopului lui Galileo, el a introdus două puncte absolute, care corespundeau temperaturii din timpul ninsorii și temperaturii din cea mai fierbinte zi, și a reglat un sistem de verificare prin care toate termometrele florentine erau calibrate după instrumentul exemplar Sancorian-Galilean. La începutul secolului al XVIII-lea, au fost înaintate o serie de propuneri privind legarea scării termometrice de mai multe puncte reproductibile ușor și fiabil, care mai târziu au devenit cunoscute sub denumirea de „puncte de referință”.

Un rol semnificativ în dezvoltarea măsurătorilor de temperatură îi revine lui Fahrenheit . El a fost primul care a folosit mercurul ca corp termometric și a creat o scală de temperatură reproductibilă. Pe scara Fahrenheit , temperatura amestecului de zăpadă cu amoniac a fost luată ca zero, iar al doilea punct corespundea temperaturii corpului unei persoane sănătoase. Temperatura de topire a gheții în versiunea finală a scalei este de 32 de grade, temperatura corpului uman este de 96 de grade, iar punctul de fierbere al apei, care a fost inițial o valoare derivată, este de 212 de grade. Fahrenheit, care a fost și un antreprenor de succes, a reușit să stabilească pentru prima dată producția de masă de termometre unificate. Scara Fahrenheit este încă folosită în SUA pentru măsurători tehnice și de temperatură de uz casnic.

În 1742, matematicianul și inspectorul suedez Celsius a propus împărțirea intervalului dintre punctele de topire ale gheții și punctul de fierbere al apei în 100 de părți egale într-un termometru cu mercur. În prima versiune a scalei, punctul de fierbere al apei a fost luat ca 0 grade, iar punctul de topire al gheții a fost luat ca 100 de grade. În 1750, această scară a fost „ convertită ” de către unul dintre studenții lui Celsius, Strömmer. Până la începutul secolului al XX-lea, scara Reaumur , propusă în 1730 de zoologul și fizicianul francez Reaumur , era și ea comună . Réaumur a folosit o soluție de 80% de alcool etilic ca corp termometric. Un grad al scării Réaumur, ca și cel al termometrului florentin, corespundea unei modificări a volumului de lichid cu o miime. Punctul de topire al gheții a fost luat ca punct de plecare, iar punctul de fierbere al apei a fost de 80 de grade.

În 1848, Thomson (Kelvin) a propus o scară termodinamică absolută, care, spre deosebire de scalele empirice, nu depinde de proprietățile unui corp termometric. [1] Citește mai mult: Temperatura termodinamică .

Baza fizică a măsurării temperaturii

După cum am menționat mai sus, temperatura nu poate fi măsurată direct. Modificările sale sunt judecate de modificările altor proprietăți ale corpurilor, cum ar fi volumul, presiunea, rezistența electrică, termo-EMF, intensitatea radiației etc., care sunt asociate cu temperatura prin anumite modele. Prin urmare, metodele de măsurare a temperaturii sunt în esență metode de măsurare a proprietăților termometrice de mai sus. Când se dezvoltă o metodă sau un dispozitiv specific, este necesar să se aleagă un corp termometric în care proprietatea corespunzătoare este bine reprodusă și se modifică foarte semnificativ cu temperatura. Proprietatea termometrică a unui corp este o proprietate a cărei dependență de temperatură este monotonă și nu are o histerezis vizibilă, ceea ce face posibilă utilizarea acesteia pentru măsurarea temperaturii.

Pentru a măsura temperatura, este, de asemenea, necesar să aveți o unitate de măsură și o scară prin care valorile acesteia sunt măsurate de la nivelul selectat. Principiul construirii unei scale empirice de temperatură constă în alegerea a două puncte de referință principale, ușor de reprodus, cărora li se atribuie valori arbitrare ale temperaturii și . Intervalul de temperatură dintre aceste valori este împărțit într-un număr egal de părți , iar partea este luată ca unitate de temperatură. În continuare, este aleasă o proprietate fizică - o mărime termometrică , de exemplu, volumul de lichid, presiunea gazului, rezistența electrică, termo-EMF etc., care se presupune în mod convențional că este dependentă liniar de temperatură. Din aceasta rezultă ecuația $t_{1}$ $t_{2}$ $N$ $1/N$ $E$

dt=kdE,

unde este coeficientul de proporționalitate. În formă integrală ─ $k$

t=kE+C.

Pentru a determina constantele și folosim temperaturile de mai sus și . După transformare, ecuația integrală ia forma $k$ $C$ $t_{1}$ $t_{2}$

t=t_{1}+{\frac {t_{2}-t_{1}}{E_{2}-E_{1}}}(E-E_{1}).

Ultima expresie se numește ecuația de scară . Cu ajutorul acestuia, valorile temperaturii sunt găsite din valorile măsurate . [2] . $E$ $t$

Până în 1954, scala de temperatură se baza pe două puncte de referință: punctul normal de topire al gheții și punctul normal de fierbere al apei . Studiile experimentale au arătat că punctul triplu al apei are o reproductibilitate mai bună decât punctele de topire ale gheții și punctele de fierbere ale apei. În acest sens, a fost adoptat un acord internațional pentru a construi o scală de temperatură bazată pe un punct de referință - punctul triplu al apei. În așa-numita scară de temperatură termodinamică absolută (scara Kelvin), se presupune, prin definiție, că temperatura acestui punct este exact . Valoarea numerică a temperaturii punctului triplu este aleasă astfel încât intervalul dintre punctele normale de topire a gheții și punctul de fierbere al apei să fie cât mai precis posibil dacă se folosește un termometru cu gaz ideal. [3] $t_1$ $t_2$ $273{,}16\,\mathrm {K}$ $100\,\mathrm {K}$

Experimentele arată că în natură nu există substanțe ale căror proprietăți fizice depind strict liniar de temperatură. Coeficientul în sine este o funcție de temperatură. Scalele de temperatură construite pe diferite proprietăți de temperatură, care coincid în punctele principale , oferă diferențe de valori ale temperaturii atât în intervalul de temperatură specificat, cât și în afara acestuia. Pe lângă discrepanța menționată mai sus, dezavantajele scalelor empirice de temperatură includ lipsa continuității acestora, asociată cu imposibilitatea corpurilor termometrice de a funcționa în întregul interval de temperaturi posibile. $k$ $t_{1}$ $t_{2}$

Termometre

Termometrul (din grecescul thérme ─ căldură și metréo ─ măsoară) este un aparat pentru măsurarea temperaturii.

În funcție de tehnica de măsurare, termometrele sunt împărțite în două grupuri principale:

1. Termometre de contact ale căror elemente sensibile (senzori) vin în contact direct cu obiectul măsurat;

2. Termometre fără contact care măsoară de la distanță intensitatea radiației termice sau optice integrale a unui obiect;

3. Un grup special este format din termometre speciale, care sunt folosite pentru măsurarea temperaturilor ultra-scăzute.

Dispozitivele și metodele de contact conform principiului de funcționare sunt împărțite în:

a) termometre de contact volumetrice, care măsoară modificarea volumului (volumului) unui lichid sau gaz cu o modificare a temperaturii;

b) Termometre dimetrice, la care temperatura este judecată după dilatarea liniară a diferitelor solide cu o schimbare a temperaturii. În unele cazuri, senzorul este o placă bimetalică formată din două metale cu coeficienți diferiți de dilatare liniară, care se îndoaie când este încălzită sau răcită;

c) Termometre termoelectrice, ai căror senzori sunt termocupluri, care sunt doi conductori diferiți lipiți la capete. În prezența unei diferențe de temperatură între joncțiunile din termocuplu, apare o termo-emf. Temperatura se măsoară prin valoarea termo-emf, sau prin valoarea curentului din circuitul termocuplului;

d) Termometre de rezistență ─ al căror principiu de funcționare se bazează pe o modificare a rezistenței unui conductor sau a unui dispozitiv semiconductor (termister) cu o modificare a temperaturii.

Metodele și dispozitivele fără contact includ:

a) Radiometrie (radiometre) ─ măsurarea temperaturii prin radiația termică proprie a corpului. Pentru temperaturi scăzute și ale camerei, această radiație este în intervalul lungimii de undă în infraroșu.

b) Imagini termice (aparate termice) ─ măsurarea radiometrică a temperaturii cu rezoluție spațială și cu transformarea câmpului de temperatură într-o imagine de televiziune, uneori cu contrast de culoare. Vă permite să măsurați gradienții de temperatură, temperatura mediului în spații restrânse, de exemplu, temperatura lichidelor din rezervoare și conducte.

c) Pirometrie (pirometre) ─ măsurarea temperaturilor ridicate ale obiectelor autoluminoase: flacără, plasmă, obiecte astrofizice. Se folosește principiul comparării fie a luminozității unui obiect cu un standard de luminozitate (pirometrul de luminozitate și temperatura de luminozitate); sau culoarea obiectului cu culoarea standardului (pirometru de culoare și temperatura de culoare); sau energia termică emisă de un obiect cu energia emisă de un emițător standard (pirometru de radiație și temperatura de radiație).

Ecuații de bază pe care se bazează termometria

1. Ecuația lui Clapeyron a stării gazelor . Această ecuație este utilizată pentru a construi scala de temperatură a gazului ideal.

pV={\frac {m}{M}}RT.

2. Ecuația dilatației termice a volumului lichidelor și gazelor, dependentă liniar de temperatură, stă la baza metodei volumetrice de măsurare a temperaturilor.

V_{t}=V_{0}(1+\alpha _{0}t).

3. Ecuațiile de dilatare liniară termică a solidelor cu temperatura stau la baza metodei dilatometrice de măsurare a temperaturii.

L_{t}=L_{0}(1+\beta t).

4. Termometrele de rezistență se bazează pe ecuația dependenței liniare a rezistenței conductoarelor de temperatură.

R_{t}=R_{0}(1+\gamma t).

5. Legea Stefan-Boltzmann , care leagă energia totală a radiației termice și a temperaturii cu o dependență funcțională, stă la baza metodelor fără contact pentru măsurarea temperaturii.

F=\sigma T^{4},

unde este emisivitatea integrală a unui corp absolut negru, este constanta Stefan-Boltzmann. $F$ $\sigma$

Termometrie magnetică

Pentru a măsura temperaturi sub 1 K, se folosește faptul că susceptibilitatea magnetică a unui paramagnet depinde de temperatură ( legea lui Curie ). Valoarea măsurată a susceptibilității magnetice este utilizată pentru a afla temperatura magnetică [4] [5] [6] , care diferă de temperatura termodinamică într-o sumă în funcție de gradul de abatere de la legea Curie.

GOST 8.157-75 „Scale practice de temperatură” stabilește o scară pentru temperaturi de la 0,01 la 0,8 K, pe baza dependenței de temperatură a susceptibilității magnetice a unui termometru cu nitrat de ceriu-magneziu [7] [8] .

Note

↑ Rizak, 2006 , p. 166-172.
↑ Rizak, 2006 , p. 181.
↑ Sivukhin, 2005 , p. 20;21.
↑ Termometrie magnetică . TSB (ed. a 3-a), 1974, vol. 15 . Consultat la 26 februarie 2015. Arhivat din original pe 27 februarie 2015. (Rusă)
↑ Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic, 1998 , p. 368.
↑ Tribus M., Termostatică și termodinamică, 1970 , p. 443-445.
↑ Evdokimov I. N. Metode și mijloace de cercetare. Partea 1. Temperatura, s. 31. . Ros. stat un-t de petrol si gaz le. I. M. Gubkin. Data accesului: 26 februarie 2015. Arhivat din original pe 5 martie 2016. (Rusă)
↑ Ivanova G.M. et al., Măsurători și dispozitive termotehnice, 1984 , p. optsprezece.

Literatură

Bazarov I.P. Termodinamică. - M . : Şcoala superioară, 1991. - 376 p. - ISBN 5-06-000626-3 .
Belokon NI Principii de bază ale termodinamicii. - M . : Nedra, 1968. - 112 p.
Rizak V., Rizak I., Rudavsky E. Fizică și tehnologie criogenică. - K . : Naukova Dumka, 2006. - 512 p. - ISBN ISBN 966-87641-4-5 .
Sivukhin DV Curs general de fizică. T. II. Termodinamica si fizica moleculara. - M. : Fizmatlit, 2005. - 544 p. - ISBN 5-9221-0601-5 .
Kozlov M. G. Metrologie și standardizare. Manual. - M., Sankt Petersburg: Institutul de Presă din Petersburg, 2001. - 372 p.
Ivanova G. M., Kuznetsov N. D., Chistyakov V. S. Măsurători și dispozitive termotehnice. — M .: Energoatomizdat, 1984. — 232 p.
Tribus M. Termostatică și termodinamică / Per. din engleză.- M . : Energy, 1970. - 504 p.
Fizică. Marele Dicţionar Enciclopedic / Ch. ed. A. M. Prohorov . — M .: Marea Enciclopedie Rusă , 1998. — 944 p. — ISBN 5-85270-306-0 .
Aslanyan A. M., Aslanyan I. Yu., Maslennikova Yu. S., Minakhmetova R. N., Soroka S. V., Nikitin R. S., Kantyukov R. R. înregistrarea zgomotului și înregistrarea în impulsuri neutroni-neutroni // Teritoriul „NEFTEGAS”. 2016. Nr 6. S. 52-59.