Лекція 6-7

Розділ 2	Термічний аналіз.
Тема 2.1	Температура та методи її вимірювання

Питання, що розглядаються:

2.1.1. Визначення термометрії.

2.1.2. Визначення температури.

2.1.3. Шкали температур.

2.1.4. Методи вимірювання температури.

2.1.5. Пристрої для вимірювання температури:

2.1.5.1. Рідинні термометри.

2.1.5.2. Металеві термометри.

2.1.5.3. Ефект Зеєбека (термопари).

2.1.5.4. Випромінювання при нагріванні (пірометрія).

2.1.5.5. Тиск газів.

2.1.5.6. Зміна власної частоти коливань п’єзокристалів.

2.1.5.7. Квадрупольний резонанс.

2.1.1. Термометрія – розділ прикладної фізики, який присвячений розробці методів і засобів вимірювання температури. Термометрія є також розділом метрології, в задачі якої входить забезпечення єдності та точності температурних вимірювань: встановлення температурних шкал, виготовлення еталонів, розробка методик градуювання та повірки приладів для вимірювання температури.

2.1.2. Визначення температури.

Температура – це фізична величина, що характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що знаходиться у стані термодинамічної рівноваги. В рівноважному стані температура має однакове значення для всіх макроскопічних ділянок системи. З основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії маємо

, (1)

де — число ступенів свободи молекул газу;

—стала Больцмана, ;

T — абсолютна температура (за шкалою Кельвіна);

—середня енергія,

—енергія кожного j-того атома у випадку одноатомного ідеального газу. може бути різною для різних атомів, тому неможна говорити про температуру одного атома.

Згідно термодинаміки, будь яка термодинамічна система характеризується ентропією. Ентропія¹ S – це міра необоротного розсіяння енергії або міра зростання хаосу (невпорядкованості) в макросистемі: чим менша степінь упорядкування, тим більша ентропія². В термодинаміці зміна ентропії при нескінченно малому оборотному процесі пов’язана з поглинутою системою теплотою:

, (2)

де – абсолютна температура. Вираз (2) вказує шлях експериментального побудування абсолютної шкали температур: величинаповинна бути такою, щоб інтеграл

(3)

не залежить від способу переходу з початкового стану в кінцеве. Ствердження про можливість такого побудування називають 2-м началом термодинаміки для оборотних процесів. Абсолютна температура є позитивно визначеною величиною.

2.1.3. Шкали температур.

Температура є одною з основних величин Міжнародної системи СІ – частині температури потрійної точки чистої води. Координати потрійної точки води: (), ().

Поряд з цією одиницею, температура також вимірюється за стоградусною шкалою Цельсія (^оС). Позначається t. В Великобританії і Північній Америці використовується інша одиниця вимірювання – градус Фаренгейта (^оF) (,).

Нульова точка за шкалою Кельвіна відповідає найнижчій теоретично можливій температурі T₀ = 273.15 K і називається – абсолютний нуль температур. Нульова точка за шкалою Цельсія відповідає точці замерзання води. Більш низькі температури за цією шкалою називається негативними.

Один Кельвін дорівнює одному Цельсію і тому шкали тільки зміщені одна відносно другої: t = T – T₀.

2.1.4. Методи вимірювання температури.

Температура не може вимірюватись безпосередньо. Про температуру і її зміну судять за іншими фізичними властивостями тіл, такими як об’єм , тиск, електричний опір, інтенсивність випромінювання, магнітна сприйнятливість тощо.

Методи вимірювання температури різні для різних діапазонів, вони залежать від умов вимірювання і точності, яка необхідна. Методи можна умовно розділити на дві великі групи:

– контактні і

• безконтактні.

Для контактних методів характерно те, що пристрій, який вимірює температуру середовища, повинен знаходитись з нею у тепловій рівновазі, тобто мати з нею однакову температуру. Безконтактні методи основані на взаємодії вимірювальних пристроїв з світловим випромінюванням, яке супроводжує процес нагрівання. Ці методи об’єднані однією назвою пірометрія.

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются

на:

а) термометры расширения, принцип действия которых основан на

зависимости объемного расширения жидкости и линейных размеров твер-

дых тел от температуры;

б) манометрические термометры, принцип действия которых ос-

нован на изменении давления рабочего (термометрического) вещества в

зависимости от температуры;

в) термоэлектрические термометры (термопары), принцип дейст-

вия которых основан на использовании зависимости термоэлектродвижу-

щей силы от температуры;

г) термометры сопротивления, принцип действия которых основан

на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента

(проводника или полупроводника) от температуры.

Бесконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:

а) пирометрия – измерение температуры самосветящихся объектов:

пламени, плазмы, астрофизических объектов;

б) радиометрия – измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение находится в инфракрасном диапазоне длин волн;

в) тепловидение – радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в

телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет

измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объе-

мах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах.