ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Методи вимірювання температури

МЕТА РОБОТИ: Ознайомитись з найпоширенішими в теплоенергетиці методами вимірювання температури.

При виконанні роботи необхідно набути такі знання і вміння:

ЗНАННЯ: фізичних основ контактних і безконтактних методів вимірювання температури різних діапазонів.

ВМІННЯ: підбирати та використовувати прилади для вимірювання температур.

ОБЛАДНАННЯ І МАТЕРІАЛИ: моделі датчиків та зразки приладів для вимірювання температури: термопара, термометри опору, оптичний пірометр.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Методи вимірювання температури і температурні шкали

Сучасна термодинаміка визначає температуру як міру інтенсивності теплового руху молекул тіла. Її числове значення однозначно пов'язане з величиною середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул речовини. Тому у рівноважних умовах температура пропорційна середній кінетичній енергії частинок тіла:

mυ²_ср. /2 = (3/2)· (k··T),

де m – маса молекули, υ²_ср. – середня квадратична швидкість молекул, k = 1,38·10^-23 Дж / К – постійна Больцмана, T – абсолютна температура тіла.

Ця формула показує, що температура є мірою середньої кінетичної енергії молекул.

Температуру неможна виміряти безпосередньо. Про зміну температури можна судити за змінами інших фізичних властивостей тіл (об’єму, тиску, електричного опору, е.р.с., інтенсивності випромінювання тощо) однозначно з нею пов’язаних.

Любий метод вимірювання температури пов'язаний із визначенням температурної шкали. Як будується температурна шкала? Якщо взяти у якості основного інтервал температур між постійними точками плавлення льоду і кипіння води, позначив їх відповідно 0 і 100, у межах цих температур виміряти величину об’ємного розширення якої-небудь робочої речовини, наприклад ртуті, що знаходиться в узькому циліндричному скляному сосуді, й поділив на 100 рівних частин зміну висоти її стовпчика, то в результаті буде побудована так звана температурна шкала Цельсія. Поділки температурної шкали називаються градусами і позначаються знаком ^оС. В даному випадку суттєвим недоліком даної шкали є недостатня точність вимірювань. Для неї потрібно було уміння точно відтворювати як умови плавлення льоду, так і умови кипіння води.

Використовуючи другий закон термодинаміки, англійський фізик Кельвін в 1848 р. запропонував досконало точну і рівномірну шкалу, що не залежала від властивостей робочої речовини, яка отримала назву термодинамічної температурної шкали. Практична її побудова утруднена неможливістю здійснення зворотного циклу Карно.

Пізніше було встановлено, що термодинамічна шкала співпадає зі шкалою газового термометру, заповненого ідеальним газом, що навело на думку Д.І. Менделєєва в 1873 р. запропонувати температурну шкалу з однією опорною точкою. Його ідея була реалізована в 1954 році, коли домовились за єдину опорну еталонну точку вибирати потрійну точку води – температуру, при якій співіснують у рівновазі всі три її фази: пара – вода – лід. Цьому стану відповідає температура 0,01 ^оС. Точку 0,01 ^о С, порівняно легко відтворювану в лабораторії, й беруть за еталонну точку термодинамічної шкали, приймаючи її температуру рівною точно 273,16 К. Звичайний нуль Цельсія відповідає температурі 273,15 К.

Термодинамічною шкалою користуються в спеціальних, добре обладнаних лабораторіях.

В звичайних лабораторіях використовують шкалу, яка називається МПТШ68 ( міжнародна практична температурна шкала, прийнята 1968 р.)

Міжнародна практична температурна шкала відтворюється за допомогою семи первинних постійних точок, що визначаються станами рівноваги (кипіння і затвердіння) ряду речовин. Цим первинним постійним точкам, які називаються реперними, віднесеним до нормального абсолютного тиску (окрім потрійної точки води), присвоєні такі числові значення:

1. –182,97 °С (90,18 К) – температура рівноваги між рідким киснем і його парою (точка кипіння кисню);

2. +0,01 °С (273,16 К) – температура рівноваги між льодом, водою і водяною парою (потрійна точка води);

3. +100,00 °С (373,15 К) – температура рівноваги між водою та її парою (точка кипіння води);

4. +231,9681°С (505,1181 К) – температура рівноваги між твердим і рідким оловом (точка затвердіння олова);

5. +419,58 °С (692,73 К) – температура рівноваги між твердим і рідким цинком (точка затвердіння цинку);

6. +961,93°С (1235,08 К) – температура рівноваги між твердим і рідким сріблом (точка затвердіння срібла);

7. +1064,43 °С (1337,58 К) – температура рівноваги між твердим і рідким золотом (точка затвердіння золота)

Ці точки взяті при нормальних умовах Р=101,325 кПа, а потрійна точка води +0,01°С (273,16 К) взята при тиску 661 Па.