Лабораторная работа n10 измерение температуры. Градуировка термопары.

Цель работы:ознакомиться со способом измерения температуры при помощи термопары, произвести ее градуировку.

Краткая теория

1. Температура относится к числу так называемых основных величин, на которых основана международная система единиц СИ, а единица ее измерения - Кельвин - входит наряду с килограммом, метром и секундой в число основных единиц этой системы. С измерением температуры постоянно приходится иметь дело в науке, технике и быту.

Особенностью температуры как физической величины, является то, что ее нельзя измерять непосредственно. Это обусловлено тем, что температура, как говорят, величина неаддитивная: температура тела не равна сумме температур его частей (в отличие, например, от массы тела). Поэтому температуру нельзя измерять сравнением с эталоном, как это делается для некоторых других величин.

Для измерения температуры используется то обстоятельство, что практически все величины, характеризующие свойства веществ, зависят от температуры. От температуры зависят, например, объем тела, электрическое сопротивление проводников и полупроводников, давление газов при постоянном объеме, излучение нагретых тел. Любое из этих и других свойств может быть использовано для создания приборов, измеряющих температуру - термометров.

Для создания термометра любого типа нужно выбрать термометрическое тело и величину, характеризующую какое-либо одно из его свойств - термометрическую величину. В бытовых термометрах, например, термометрическим телом является ртуть в резервуаре, а термометрической величиной - объем этой ртути.

Кроме того, нужно выбрать вид зависимости, связывающий термометрическую величину с температурой. Именно выбрать, так как пока нет термометра, определить вид этой зависимости нельзя. В ртутных термометрах всегда принималось, что зависимость объема ртути от температуры линейная. Наконец, нужно выбрать размер единицы температуры - градуса. Этим определяется температурная шкала. Из сказанного ясно, что могут быть созданы самые разнообразные типы термометров и температурных шкал. В прежние времена существовали десятки различных термометров и шкал, которые практически невозможно было сравнить между собой. Три различных шкалы сохранились и до наших дней.

2. Современная термометрия основана на газовом термометре постоянного объема. Здесь термометрическим телом является идеальный газ в некотором сосуде. Термометрической величиной - давление этого газа при постоянном объеме. Зависимость термометрической величины от температуры принимается линейная: давление газа пропорционально температуре. Размер градуса принимается такой, чтобы разность температур между точками кипения воды и таяния льда была бы равна ста единицам - градусам. Но газовым термометром на практике пользуются очень редко ввиду его громоздкости и других неудобств. Роль этого термометра другая: по нему градуируются все другие термометры. Газовый термометр, как говорят, является первичным термометром. Все другие термометры являются вторичными и градуируются по газовому либо непосредственным сравнением (это делается редко и только в специальных учреждениях), либо с помощью установленной в 1968 г. международным соглашением Международной практической температурной шкалой (МПТШ-68).

МПТШ-68 - это несколько постоянных, так называемых реперных точек, которые легко воспроизводятся в любой лаборатории и которым приписаны определенные значения температуры, измеренные с наибольшей возможной точностью прямо или косвенно по газовому термометру. Реперные точки - это точки кипения или плавления некоторых веществ или, что то же, - точки отвердевания при заданном внешнем давлении (обычно в одну атмосферу). Такой выбор реперных точек основан на том, что до тех пор, пока идет процесс кипения, отвердевания или плавления, температура вещества остается постоянной.

Среди реперных точек МПТШ- 68 - точка кипения воды при атмосферном давлении, которой приписывается значение температуры 100C или 373,15К, и точка отвердевания (плавления) олова. Ей приписано значение температуры 231,97C (505,12К). В нашей работе используются только эти реперные точки.

3. Один из часто употребляемых вторичных термометров - термометр термоэлектрический. Здесь используется явление, открытое Зеебеком и состоящее в том, что на концах цепи, составленной из двух различных проводников или полупроводников, спаянных своими концами (рис.1), возникает электродвижущая сила, если температуры спаев различны. Если цепь замкнута, то в ней в этом случае течет электрический ток.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что причина явления состоит в том, что в различных металлах различны, во-первых, концентрации свободных электронов и, во-вторых, различны силы, удерживающие электроны внутри проводника. Благодаря этому в месте контакта происходит переход электронов из того металла, где их концентрация больше, а удерживающая сила меньше, в другой, в котором концентрация меньше, а сила больше. Если, например, в паре металлов АиВ(рис.2) в металлеАконцентрация электронов больше и сила, удерживающая их, меньше, то в контактах1и2электроны будут переходить так, как указано на рисунке стрелками. Видно, что направления движения электронов в спаях противоположны друг другу. Поэтому ток в такой цепи и эдс равны нулю, если температуры спаев одинаковы. Однако если температуры спаев различны, то эдс в такой термопаре не равна нулю и по цепи течет ток. Различие температур играет роль сторонних сил в таком термоэлементе.

Опыт показывает, что при не слишком больших разностях температур спаев эдс термопары или термоэдс (ТЭДС) пропорциональна разности температур:

E = a(T₁-T₂). (1)

Это и позволяет использовать термопару в качестве вторичного термометра - термоэлектрического. Термометрическим телом здесь является термопара, а термометрической величиной - термоэдс. Если один из спаев поддерживать при постоянной температуре, а второй спай привести в контакт с телом, температура которого измеряется, то термоэдс Ебудет пропорциональна этой последней. Нужно только определить коэффициент пропорциональности a.Это и достигается градуировкой термопары. Смысл термоэлектрического коэффициентаaясен из формулы (1):

, (2)

т.е. коэффициент aравен эдс термопары при разности температур в один градус. Обычно a выражают в микровольтах на градус (мкВ/К).

При градуировке термопары определяется зависимость эдс термопары от разности температур. Для того один из спаев термопары поддерживают при некоторой фиксированной температуре (обычно при температуре тающего льда, равной 0C). Температуру другого спая изменяют, помещая его в объемы, в которых поддерживается температура реперных точек. При этом измеряется термоэдс. По полученным точкам строится график зависимости термоэдс от температуры. При небольших перепадах температур этот график обычно представляет собой прямую линию. Этот график и делает термопару термометром. Измерив ТЭДС при какой-то неизвестной температуре, мы по графику сможем узнать значение этой температуры. График зависимости ТЭДС от температуры - это шкала термоэлектрического термометра.