
- •С.А. Погожих
- •От автора
- •1.Введение
- •1.1. Техника безопасности
- •1.2. Порядок выполнения работ
- •1.3. Правила построения графиков
- •1.4. Вычисление погрешностей
- •1.5. Рекомендуемая литература
- •2. Описания лабораторных работ
- •2.1. Лабораторная работа №1
- •2.2. Лабораторная работа №2 проверка закона шарля
- •2.3. Лабораторная работа № 3 определение плотности воздуха
- •2.4. Лабораторная работа №4
- •2.5. Лабораторная работа №5
- •2.6. Лабораторная работа №6
- •2.7. Лабораторная работа №7
- •2.8. Лабораторная работа № 8
- •Линейное тепловое расширение
- •Объемное тепловое расширение
- •Тепловое расширение с точки зрения молекулярно- кинетической теории
- •2.9. Лабораторная работа №9
- •Определение коэффициента динамической вязкости
- •Определение длины свободного пробега молекул
- •Определение эффективного диаметра молекул
- •Определение коэффициента динамической вязкости
- •Определение длины свободного пробега молекул
- •Определение эффективного диаметра молекул
- •2.10. Лабораторная работа №10
- •2.11. Лабораторная работа №11
- •2.12. Лабораторная работа №12
- •Измерения и обработка их результатов
- •2.13. Лабораторная работа №13
- •2.14. Лабораторная работа №14
- •2.15. Лабораторная работа №15
- •2.16. Лабораторная работа №16
- •Лабораторная работа №17
- •3. Приборы молекулярной физики
- •3.1. Насосы
- •3.2. Манометры
- •3.3. Термометры
- •3.4. Приборы, измеряющие влажность.
- •3.5. Термостат
- •Запрещается включать термостат без воды!!!
- •3.6. Вискозиметр
- •Методика измерения вязкости.
- •3.7. Катетометр
- •Конструкция прибора
- •Работа с катетометром
- •4. Справочние сведения*
3.3. Термометры
Прибор, измеряющий температуру, называется термометром. Существуют контактные и бесконтактные термометры. Контактный термометр приводят в тепловой контакт с исследуемым телом. Измерять температуру следует только тогда, когда устанавливается тепловое равновесие между термометром и исследуемым объектом. При этом температура термометра равна температуре исследуемого тела. Однако следует помнить, что термометр измеряет свою собственную температуру, и если контакт с телом плохой, то может возникнуть существенная ошибка. Другой источник ошибки — слишком массивный термометр. Теплоемкость термометра должна быть много меньше теплоемкости тела.
Таким образом, при измерении температуры контактным термометром необходимо соблюдать три условия: 1. Термометр должен быть приведен в тепловой контакт с исследуемым телом; 2. Термометр и исследуемое тело должны находится в тепловом равновесии; 3. Теплоемкость термометра должна быть много меньше теплоемкости исследуемого тела.
В контактном термометре может быть использовано любое свойство вещества или устройства, зависящее от температуры. Поскольку таких свойств очень много, разновидностей термометров тоже много. Жидкостныйтермометр делается в виде узкого капилляра, переходящего в нижней части в шарик, в котором находится основная масса жидкости. При расширении жидкость входит в капилляр, заполняя его до определенного деления. (Используется разница температурных коэффициентов расширения жидкости и стекла.)
В жидкостных термометрах применяется ртуть или спирт. Ртуть замерзает при температуре ниже -39С, а стекло размягчается при 500—600 °С. Этим определяется диапазон ртутных термометров. Спиртовые термометры применяются для измерения температур в диапазоне от -80 до +70°С (приt= -114°С спирт замерзает, а при высоких температурахt = 78 °С – кипит).
Термометры различаются по чувствительности. Пусть объем шарика Vш, радиус капилляраr, а высота столбика жидкости в капилляреh. Тогда
,
где — температурный коэффициент объемного расширения жидкости. Отсюда чувствительность (в миллиметрах шкалы на 1°С):
.
Температурный коэффициент объемного расширения спирта в 6 раз выше, чем у ртути, соответственно и чувствительность у спиртового термометра выше. Для данной жидкости чувствительность тем больше, чем больше объем шарика и чем тоньше капилляр. Однако сужение капилляра одновременно сужает диапазон измерений.
Чтобы измерить небольшой интервал температур, например от 180 до 200 °С, применяют укороченный термометр. Он представляет собой узкий капилляр, шарик которого заполнен термометрической жидкостью не полностью. Термин “укороченный” означает, что он в 20 раз короче, чем был бы термометр от 0 до 200 °С той же чувствительности. Для того чтобы охватить достаточно широкий диапазон температур, изготавливают наборы таких термометров (например, от 0 до 20 °С, затем от 20 до 40 °С и т. д.).
В тех случаях, когда надо, чтобы после измерения уровень ртути не опускался, несмотря на остывание термометра (например, в медицинском термометре), применяется максимальный термометр. В таком термометре шарик сообщается с измерительным капилляром через более узкий капилляр. При нагревании ртуть проталкивается через узкое место, а при остывании столбик ртути рвется в этом месте и ртуть не возвращается в шарик, фиксируя максимальную температуру. Для возвращения ртути термометр необходимо сильно встряхнуть.
Ртутный термометр, который используется не только для измерения температуры, но и для ее регулирования, называется контактным, так как в него введена тонкая контактная проволочка. При повышении температуры ртуть замыкает контакты. Так как термометр полностью герметичный, то положение верхнего контакта меняется с помощью маховичка, который посредством постоянного магнита вращает регулировочный винт, расположенный внутри термометра. Сила тока в термометре должна быть небольшой, а при необходимости регулирования токов большой силы используют реле.
Температуру также измеряют с помощью приборов, преобразующих изменения температуры в электрический сигнал.
Термометр сопротивления— это катушка с проводом сопротивление которого возрастает с температурой:R=R0(1 +t). Для устойчивости к окислению берут тонкую платиновую проволоку (платиновый термометр) диаметром менее 0.1 мм. Сопротивление измеряется мостом постоянного тока, шкала которого может быть проградуирована в градусах.
Значительно более чувствителен термистор— термометр сопротивления на полупроводнике. Термистор имеет более узкий диапазон измерений и шкала его не линейна. Он представляет собой бусинку из оксидов металлов (Сu, Мn, Мg, Со). Сопротивление полупроводника убывает с температурой по законуR=R0ea/T. Отсюда нелинейность шкалы.
Рис. 34
,
где – коэффициент термо-ЭДС.
Термопару предварительно калибруют – снимают зависимость разности потенциалов от температуры, которую и используют при непосредственном измерении. Наиболее часто употребляемые термопары приведены в таблице 22.
Таблица 22
Термопары (химический состав проволоки) |
Предельная Температура, °С |
, мкВ/К |
Медь-константан (100%Cu; 60%Cu+40%Ni) |
400 |
43 |
Хромель-копель (10%Cr + 90%Ni; 56%Cu + 44%Ni) |
800 |
70 |
Хромель-алюмель (10%Cr + 90%Ni; 2%Al + 1%Cr + 2%Mn + 95%Ni) |
1200 |
40 |
Следует отметить, что в широком интервале температур необходимо учитывать зависимость от температуры, т. е. нелинейность. В качестве реперных (проверочных, опорных) точек берут, например, температуры плавления льда (0 °С) и кипения воды (100 °С) при нормальном атмосферном давлении, отвердевания цинка (419.5 °С), меди (1083 °С) и т. д.
Провода термопары должны быть по возможности тонкими, чтобы не было большого теплоотвода.
Для измерения выделяемого или поглощаемого телами количества теплоты служат калориметры. Это сосуды с теплоизолирующими стенками (адиабатическими оболочками), часто заполненные какой-либо калориметрической жидкостью. Если необходимо удерживать давление в калориметре, например, для измерения количества теплоты, выделяющегося при взрыве, стенки делают прочными (калориметрическая бомба).