- •Политехнический институт Кафедра промышленной энергетики
- •Правила выполнения лабораторных работ и оформления отчетов
- •Работа № 1
- •Выполнение работы
- •Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 2 определение параметров влажного воздуха
- •Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 3 исследование процесса истечения воздуха через суживающееся сопло
- •1. Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 4 определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала
- •1. Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •4. Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 5 теплоотдача вертикального цилиндра при естественной конвекции
- •1. Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •4. Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 6
- •3. Схема и описание установки
- •4. Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Температура и методы ее измерения
- •1. Цель работы
- •2. Температура - мера кинетической энергии составляющих тело молекул
- •3. Температурные шкалы
- •4. Методы измерения температуры
- •5. Контрольные вопросы
3. Температурные шкалы
В настоящее время рекомендована к применению Международная практическая температурная шкала МПШТ-68. Единицей температуры утвержден Кельвин (К). Температуру, определяемую по этой шкале, называют термодинамической Т (например, T = 300 К).
Допускается использовать также температуру t по шкале Цельсия, определяемую выражением
t= Т - 273,15. (2)
Эта температура выражается в градусах Цельсия °С (например, t = 20 °С). Кельвин и градус Цельсия имеют одинаковую величину и оба равны 1/100 разности температур кипения и замерзания воды при атмосферном давлении.
Шкалы Кельвина и Цельсия отличаются только точкой отсчета: нуль в шкале Кельвина сдвинут вниз на 273,15 К по сравнению со шкалой Цельсия. Температура по шкале Цельсия может быть отрицательной t < 0 °С, тогда как термодинамическая температура всегда положительна Т > 0. При приближении термодинамической температуры к нулю (T > 0) внутри тела молекулы постепенно замедляют свое колебательное движение около состояния равновесия, и при Т = 0 оно прекращается.
Своеобразными «хранителями» температурных шкал являются постоянные температуры фазового равновесия между двумя или тремя фазами вещества: температуры кипения и затвердевания, температуры тройных точек. Эти значения температур называются опорными, реперными точками. Значения основных реперных точек МПШТ-68 приведены в табл. 1.
Таблица1. Основные реперные точки МПШТ-68
Равновесное состояние |
Ts, К |
ts, oC |
Тройная точка водорода |
13,81 |
-259,34 |
Тройная точка кислорода |
54,361 |
-218,789 |
Точка кипения кислорода |
90,188 |
-182,926 |
Точка замерзания воды |
273,15 |
0 |
Тройная точка воды |
273,16 |
0,01 |
Точка кипения воды |
373,15 |
100 |
Точка затвердевания цинка |
629,73 |
419,58 |
Точка затвердевания серебра |
1235,08 |
961,93 |
Точка затвердевания золота |
1337,58 |
1064,43 |
За рубежом до сих пор довольно часто применяются температурные шкалы Фаренгейта (t, °F) и Ренкина (T, °R). Они выражаются следующим образом через температуры Цельсия и Кельвина соответственно:
t °С = (t°F - 32)/1,8; (3)
T = T°R / 1,8 . (4)
4. Методы измерения температуры
Температура является мерой кинетической энергии составляющих тело молекул. Кинетическую же энергию составляющих тело молекул измерить невозможно. Поэтому для измерения температуры применяют косвенные методы, в которых используют зависимость каких-либо свойств вещества от температуры и по изменению этих свойств судят об изменении температуры. Такими свойствами являются объем вещества, давление насыщенного пара, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила, тепловое излучение и др.
Стеклянные жидкостные термометры. Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на температурном расширении жидкостей. Для того чтобы изменение объема жидкости при изменении температуры было отчетливо видно, обычно к заключенному в резервуар объему жидкости примыкает трубка с тонким каналом - капилляром. Свободная поверхность жидкости находится в этом капилляре, в результате чего небольшие температурные изменения объема жидкости вызывают значительное отчетливо наблюдаемое перемещение свободной поверхности мениска в капилляре. При известных температурах t1 и t2 определяются два положения мениска, после чего расстояние между ними делится на равные отрезки, числом равные t1 - t2. Таким образом градуируется термометр, и только после нанесения этих делений на шкалу он может быть использован для измерения.
Стеклянные термометры можно применять для измерения температур в интервале от -200 до +750 °С, но обычно до температур, не превышающих 150-200 °С. Для их заполнения, в зависимости от диапазона измеряемых температур, используются различные, обычно подкрашиваемые жидкости: ртуть, толуол, этиловый спирт и т.д.
Недостатки жидкостных термометров: сравнительно большой размер, необходимость визуального определения температуры и невозможность представления показаний в виде электрического сигнала.
Термометры сопротивления. В термометрах сопротивления используется свойство изменения электрического сопротивления металлов при изменении его температуры. Термометры сопротивления применяются для измерения широкого диапазона температур. Платиновый термометр сопротивления является эталонным прибором для измерения температур в интервале от 13,81 до 903,89 К. Конструкция платинового термометра сопротивления представлена на рис. 2. Платиновая проволока диаметром 0,05-0,10 мм, свитая в спираль, уложена на кварцевом каркасе геликоидной формы. К концам спирали припаяны выводы из платиновой проволоки. Все устройство помещено в защитную кварцевую трубку. Сопротивление платинового термометра измеряют обычно потенциометрическим способом (принципиальная схема приведена на рис. 3).
Рис. 2. Платиновый термометр сопротивления: а - чувствительная часть, б - головка термометра; 1 - защитная кварцевая трубка; 2 - кварцевый каркас; 3 - спираль из платиновой проволоки; 4 - платиновые выводы; 5 - контактные винты; 6 - изоляционная прокладка
Вместо платины в термометрах сопротивления можно применять и другие металлы или полупроводниковые материалы. Основным недостатком термометров сопротивления являются достаточно большие габариты чувствительной части.
Рис. 3. Принципиальная схема измерения сопротивления платинового термометра:
1 - потенциометр
Термоэлектрические термометры. Термоэлектрические термометры (термопары) получили широкое распространение как в лабораторной практике, так и в промышленном производстве. Это объясняется их уникальными свойствами.
Термопара представляет собой два разнородных металлических проводника (проволочки различных металлов), составляющих общую электрическую цепь. Если температуры мест соединений (спаев) проводников t1 и t2 неодинаковы, то возникает термоЭДС и по цепи протекает электрический ток. Причиной возникновения термоЭДС является различная плотность свободных электронов в различных металлах при одинаковой температуре. ТермоЭДС тем больше, чем больше разность температур спаев. По величине термоЭДС судят о разности температур спаев.
Электродами термопары являются проволока диаметром 0,1-3,2 мм. Используются следующие термопары: платинородий-платиновая (от 0 до 1300 °С), платинородиевая (от 300 до 1600 °С), вольфрамрениевая (от 0 до 2200 °С), хромель-алюмелевая (от -200 до 1000 °С), хромель-копелевая (от -50 до 600 °С), медь-копелевая (от -200 до 100 °С) и другие.
При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0 °С (в тающем льде в сосуде Дьюара), а другой - горячий спай - в среде, температуру которой нужно измерить. Таблицы термоЭДС термопар составлены именно для этого случая. Если по каким-либо причинам не удается поместить холодный спай в среду с температурой 0 °С и он находится при комнатной температуре (например при 20 °С), то в этом случае возникающая термоЭДС соответствует разности температур горячего и холодного спаев и при определении температуры нужно ввести поправку на холодный спай. Для этого необходимо измеренную термоЭДС сложить с термоЭДС, соответствующей температуре холодного спая (20 °С), и по полученному значению определить температуру при помощи таблиц.
По схеме соединения различают термопары с одним и двумя холодными спаями.
Рис.4. Типы термопар: 1 –горячий спай; 2 – холодный спай
Схема термопары с одним холодным спаем изображена на рис. 4,а. Вся цепь выполняется из двух разнородных проводников. В цепь включен милливольтметр для измерения термоЭДС.
Схема с двумя холодными спаями представлена на рис. 4,6. Отличие этой схемы от первой заключается в том, что в цепь термопары вводятся медные провода. Медные провода изображены сплошной линией. Такая схема обычно и используется на практике ввиду того что измерительный прибор может находиться на значительном удалении от места измерения температуры.
Существенным достоинством термопар и термометров сопротивления является то, что они преобразуют значения измеряемой температуры в величину электрического сигнала. Это дает возможность передавать сигнал на большие расстояния, а также использовать его в качестве управляющего сигнала в системах автоматического регулирования и управления.
Инфракрасные термометры. Инфракрасные термометры содержат высокочувствительный датчик, который преобразует энергию инфракрасного (теплового) излучения поверхности объекта в электрический сигнал. Затем эта информация преобразуется в температурные данные, выводимые в цифровом виде на дисплей. Количественное соотношение между интенсивностью теплового излучения поверхности и ее температурой устанавливается законом Стефана-Больцмана для теплового излучения. Диапазон измерения температуры таким прибором от -50 оС до 1500 оС.
Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру поверхности бесконтактным способом и на значительном расстоянии. Это делает его особенно удобным в тех случаях, когда другие методы измерения температуры непригодны. Например, если нужно измерить температуру движущегося предмета, поверхности под напряжением или труднодоступной поверхности. Прибор обычно изготавливается в форме пистолета. Для выбора точки измерения температуры на поверхности используется лазерный целеуказатель.