методички для лаб.раб. по молек. физике / Лабораторная работа №3

ЛАБОРАТОРИЯ МЕХАНИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ

Лабораторная работа 3

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Краткая теория.

Температура это важнейшая физическая величина, характеризующая интенсивность теплового движения в веществе (газах, жидкостях, твердых телах и плазме). От температуры в той или иной степени зависят прак­тически все другие характеристики вещества. Поэтому во всех физических экспериментах необходимо измерять температуру объекта исследования, контролировать ее изменение.

Пренебрежение изменениями температуры может привести к значительным дополнительным погрешностям эксперимента. В этой связи объект исследования необходимо поддерживать при постоянной температу­ре, т. е. термостатировать. Для этой цели его помещают в устройство, под­держивающее определенную температуру - термостат. Существуют раз­личные методы измерения температуры, основанные на температурной за­висимости различных физических параметров вещества.

1) В одном из наиболее распространенных методов измерения темпе­ратуры используется тепловое расширение газов или жидкостей. Устройство для измерения температуры называется газовым или жидкостным термо­метром. Принцип действия основан на том, что в определенном интервале температур объем газа или жидкости зависит от температуры по линейному закону

гдеv0- объем при некоторой фиксированной температуре, например, при О С, 1 - температура по шкале Цельсия, α- коэффициент теплового расшире­ния (при фиксированном давлении)

Для газов, если за начальную температуру принять 0°С, .Для жидкости индивидуальная характеристики каждой жидкости. Принципиаль­ная схема газового термометра показана на рис. 1. При изменении темпера­туры окружающей Среды будет изменяться объем газа газового термометра. Изменение объема сопровождается перемещением капельки ртути (или дру­гой жидкости) в капилляре, которые пропорциональны изменениям темпе­ратуры.

Это позволяет каждому положению капельки жидкости поставить в соответ­ствие определенное значение температуры, например, по шкале Цельсия (или любой другой шкале).

2) Термометры сопротивления. С помощью термометров сопротивле­ния информация о температуре может быть преобразована в электрический сигнал.В этих устройствах используется зависимость электрического сопро­тивления проводящего материала от температуры. Различают два вида при­боров: в одних чувствительными элементами являются проволочные сопро­тивления из чистых металлов (медь, платина), их обычно называют термо­метрами сопротивлений, в других чувствительными элементами являются специального состава полупроводниковые резисторы, которые называют термисторами.

Температурная зависимость сопротивления чистых металлов в опре­деленном диапазоне температур определяется по формуле

где - удельное сопротивление, - длина, S- сечение проводника, температурный коэффициент

Как привило термометры сопротивления используются для измерения тем­пературы в диапазоне, где сохраняет постоянное значение.

Температурная зависимость сопротивления термисторов определяется по формуле

где — некоторая константа, зависящая от формы размеров термистора, - константа, зависящая от материала, из которого изготовлен термистор.

Рассмотрим причину такой зависимости R(Т). Как известно кристал­лическая решетка металла состоит из положительных ионов , между кото­рыми перемещаются электроны проводимости. (Электрический ток в метал­лических проводниках представляет собой упорядоченное перемещение электронов, происходящее под действием электрического поля.)

Электроны проводимости взаимодействуют с ионами решетки, меха­низм этих взаимодействий предположим таким же, как и механизм взаимо­действия молекул реальных газов.

Обозначим через , среднюю длину свободного пробега электрона по аналогии со средней длиной свободного пробега молекулы в кинетической теории газов. Благодаря хаотичности теплового движения электронов при отсутствии внешнего электрического поля никакого преимущественного перемещения электронов нет, следовательно, нет и электрического тока. При наложении электрического поля напряженностью Е появляется смеще­ние движущихся электронов в направлении, противоположном направлению поля.

В общем виде термометр сопротивления включает в себя чувствительный элемент того или другого типа и вторичный прибор, т. е. прибор для измерения электрического сопротивления.

3) Термоэлектрические термометры, это приборы для измерения тем­пературы, основанные на эффекте Зеебека. Термоэлектрический термометр состоит из термопары в качестве чувствительного элемента и электроизме­рительного прибора (милливольтметра, автоматического потенциометра и др.). Термопара представляет собой датчик температуры, состоящий из двух соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов ( обычно из металлических проводников, реже из полупроводников). Дейст­вие термопары основано на эффекте Зеебека. Если контакты двух проводя­щих элементов находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает ЭДС (термоэдс), величина которой однозначно определяется раз­ностью температур контактов (спаев) и природой материалов, входящих в термопару (рис. 2а).

В определенном интервале температур величина термоэдс может быть най­дена по формуле

где - температура нагретого спая, - холодно­го. Для измерения температуры с помощью тер­мопары ее необходимо подключить к вторичному прибору (рис. 26). Рабочий спай разнородных проводников 1 и 2 приводится в тепловой контакт с исследуемым объектом. Вторые концы этих проводников, находящиеся при температуре Т₂ с помощью медных соединительных проводов 4 подключаются к милливольтметру 3 или другому измерительному прибору. Очень часто использу­ется так называемая дифференциальная термопа­ра (рис. 2в), содержащая три проводящих элемента 1 - проводник из первого материала, и два проводника 2 из второго ма­териала. Они могут быть непосредственно подключены к вторичному прибору 3, или с помощью соединительных проводов 4. Во всех случаях термоэдс определяется по формуле (6). В качестве материалов для соединения в термопары берутся чистые металлы и сплавы. Наиболее употребительные термопары и их свойства приведены в таблице 1.

П. Описание установки.

Одним из элементов установки, изображенной на рис. является воз­душный термостат 1. Он представляет собой закрытый сосуд с стеклянными стенками, в котором расположены: нагревательный элемент 2 (лампа нака­ливания), вентилятор 3 для перемешивания воздуха, датчик электротермометра 4, термистор 5, рабочий спай железо-константановой термопары 6. На крышке термостата расположены: контрольный термометр 7, контактный термометр 8, соединенный с блоком питания 9, управляющий работой на­гревательного элемента. Включение всей установки и вентилятора осущест­вляется с помощью тумблеров 10 и 11. Все датчики температуры соединены со своими вторичными приборами, электротермометром ЭТП-2М 12, вольтметром В7-20 13, милливольтметром М198\3 14. Второй спай диффе­ренциальной термопары помещен в стакан с водой!5, в зимнее время в него можно помещать снег или лед и, таким образом, поддерживать второй спай при 0° С.

Ш. Выполнение измерений.

1. Установить на контактном термометре 8 температуру на 3-5 граду­сов выше комнатной. С помощью тумблеров 10 н И включить вентилятор н сеть. При этом должен включиться нагревательный элемент, т. е. загореться лампа накаливания 2.

2. Стакан 15 заполнить или водой со льдом

3. Включить вторичный прибор электротермометра.

4. Включить в сеть шнур питания подсветки милливольтметра М198\3.

5. Включить вольтметр В7-20.

6. После установления в термостате заданной температуры, т. е после выключения лампочки 2, записать показания контрольного термометра 7 н показания вторичных приборов всех используемых датчиков температуры.

7. Установить в контактном термометре температуру на 5° С выше первоначальной, при этом снова включится нагреватель, и после установле­ния заданной температуры снова повторить все измерения,

8. Повторить все измерения до температуры 50° С. По результатам из­мерений построить графики зависимости показаний электротермометра, термоэдс термопары, сопротивления термистора, температуры, определяе­мой по контрольному термометру 7

Принципиальная схема установки

1 воздушный термостат, 2-нагревательный элемент, 3 - вентилятор, 5 - термистор, б - рабочий спай термопары, 7 - контрольный термометр, 10 и 11 - тумблеры для включения сети и вентилятора, 12 - электротермометр ЭТП-2М_Т 13- вольтметр В7-20, 14 - милливольтметр М198\3₇ 15--'второй спай термопары.

2