Термоэлектрический метод измерения температур.

1. Общие сведения.

Термоэлектрический метод измерения температур основан на строгой зависимости термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.) термоэлектрического термометра от температуры.

Термоэлектрические термометры широко применяются для измерения температуры до 2500⁰С в различных областях техники и в научных исследованиях. Они могут использоваться для измерения температуры от – 200⁰С, но в области низких температур термоэлектрические термометры получили меньшее распространение, чем термометры сопротивления.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

2. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОПАРОЙ.

В основу измерения температур с помощью термоэлектрических термометров положены термоэлектрические явления, открытые Зеебеком в 1821 г. Применение этих явлений к измерению температур основано на существовании определенной зависимости между термо-э.д.с., устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами мест их соединения.

t₀

t

Рис. 2-1.

Если взять цепь (рис.2-1), составленную из двух различных термоэлекрически однородных по длине проводников А и В (например, меди и платины), то при подогреве спая 1 в цепи появляется электрический ток, который в более нагретом спае 1 направлен от платины В к меди А, а в холодном спае 2 – от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими. Электродвижущая сила, обусловленная неодинаковыми температурами мест соединения 1 и 2, называется термоэлектродвижущей силой, а создающей ее преобразователь – термоэлектрическим первичным преобразователем или термометром (употребляющееся название – термопара).

Для объяснения механизма возникновения термо-э.д.с. воспользуемся электронной теорией, которая основывается на представлении о наличии в металлах свободных электронов. В различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единицу объема) неодинакова. Вследствие этого в местах соприкосновения двух разнородных металлов, например, в спае (рис.2-1), электроны будут диффундировать из металла А в металл В с меньшей плотностью свободных электронов в большем количестве, чем обратно из металла В в металл А. Возникающее при этом в месте соединения электронное поле будет препятствовать этой диффузии, и когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости из обратного перехода под влиянием установившегося определенного поля, наступит состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между металлами А и В возникает некоторая контактная разность потенциалов. Так как плотность свободных электронов зависит также и от температуры места соединения металлов А и В, то в месте возникновения этих проводников при любых температурах возникает э.д.с.

, (П.1)

называемая контактной термо-э.д.с., значение и знак которой зависят от природы металлов А и В и температуры t места их соприкосновения.

В замкнутой цепи (рис.2-1) из двух разнородных проводников А и В (например, меди и платины), когда , появляется, как было сказано выше, термоток. Направление этого тока в спае 2 определяет знак как самого проводника, так и термо-э.д.с. Положительным называют тот термоэлектрод, от которого ток идет с спае, имеющем температуру . Отрицательным – к которому ток идет в том же спае. Так как в рассматриваемой цепи ток направлен в спае 2 от А к В (от меди к платине), то термоэлектрод А – термоположительный, а В – термоотрицательный. Порядок написания термоэлектродов АВ в индексе символа контактной термо-э.д.с. указывает на направление тока в спае 2 и поэтому термоэлектрод, написанный в индексе первым – положительный, а вторым – отрицательный.

При изменении температуры спаев 1 и 2 (рис.2-1) (), направление термотока в спаях этой цепи изменяется, но знак термоэлектрода А при этом остается прежним, так как в спае 1 ток, как и раньше, направлен от А к В.

На основании закона Вольта в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников А и В, когда температуры мест их соединения одинаковы () и соответствуют посторонние э.д.с., термоток не возникает. Вследствие этого необходимо принять , что возникающие при этом контактные термо-э.д.с. в местах соеденения 1 и 2 равны между собой, но различны по знаку, и поэтому суммарная термо-э.д.с. Е цепи равна нулю:

(П.2)

или

. (П.3)

Следует заметить, что закон (П.2) является прямым следствием второго закона термодинамики, так как если бы сумма конкатных темро-э.д.с. в подобной цепи не равнялась нулю, то в цепи был бы термоток. Если бы в цепи имелся термоток, то часть цепи стала бы нагреваться, а другая – охлаждаться, это означало бы, что отвод и подвод тепла осуществляется без затраты энергии. Это противоречит второму закону термодинамики и приводит к выводу, что сумма контактных термо-э.д.с. в такой цепи равна нулю.

(П.4)

(П.5)

Сказанное выше приводит к выводу, что термо-э.д.с., возникающая в термоэлектрической цепи (рис.2-1), зависит лишь от температуры мест соединения 1 и 2 различных термоэлектрически однородных по всей длине проводников А и В и от их природы и не может зависеть от распределения температур в каждом ее отдельном термоэлектрически однородном проводнике.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом Кантора-Ребиндера.

Приборы и принадлежности: установка для определения коэффициента поверхностного натяжения, термометр, электроплитка, сосуд для воды, стакан, исследуемые жидкости.

Цель работы: изучение температурной и концентрационной зависимостей коэффициента поверхностного натяжения

Введение.

Энергетическое состояний молекул в поверхностном слое и внутри объема жидкости различны. Поэтому поверхностному слою можно приписать так называемую поверхностную энергию Е, которая пропорциональна площади поверхности:

(1)

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Понятие коэффициента поверхностного натяжения можно ввести и иначе. Энергетически выгодным является состояние системы с минимумом поверхностной энергии, следовательно, по касательной к поверхности действует сила, стремящаяся уменьшить площадь поверхности, называемая силой поверхностного натяжения. Эта сила пропорциональна длине отрезка L, лежащего на поверхности

. (2)

Если поверхность жидкости искривлена, то наличие силы поверхностного натяжения приводит к появлению избыточного давления, которое обычно называют Лапласовским давлением. Лапласовское давление определяется из соотношения: (3)

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости. Для сферической поверхности, очевидно,

(4)

где R- радиусы кривизны сферической поверхности.

Измерив Лапласовское давление, можно определить коэффициент поверхностного натяжения.