Розділ 3. Вимірювання температури

Методи, використовувані для вимірювання низьких температур, у принципі, звичайно, ті ж самі, що і застосовувані при більш високих температурах. Однак при низьких температурах деякі проблеми, наприклад проблеми, зв'язані з забезпеченням теплового контакту з термометром і з виділенням цим термометром тепла, стають більш складними.

Теплоємності всіх систем при низьких температурах звичайно дуже малі, і невелика кількість тепла може викликати значне збільшення температури. Далі, тепловий контакт між різними системами при низьких температурах часто буває досить поганим, так що тіло може бути легко перегріте вище від температури навколишнього середовища. Так, наприклад, невеликі зразки, які монтуються на ізоляторах, виявляється необхідним надійно екранувати від випромінювання із зони з кімнатною температурою, у противному випадку вони можуть швидко нагріватися. Внаслідок всіх цих причин необхідно забезпечувати гарний тепловий контакт термометра із системою, температура якої підлягає вимірюванню.

Тепловий контакт між слабко прилягаючими поверхнями при низьких температурах украй поганий, але якщо міцно притиснути одна до одної дві металеві поверхні, тепловий контакт може бути досить надійний. Найкращий метод забезпечення доброго контакту між двома металами полягає в їх пайці або зварюванні. Наприклад, металева колбочка газового термометра повинна бути припаяна до металевого приладу, а не просто знаходитися з ним у зіткненні. У ряді випадків можна приєднувати термометр до мідного дроту, інший кінець якого припаюється до тих точок, температуру яких треба визначити, оскільки теплопровідність чистої міді при низьких температурах велика. (Корисно згадати, що при низьких температурах теплопровідність деяких кристалічних ізоляторів, таких як кварц, може бути такою ж високою або навіть перевищувати теплопровідність металів).

Іноді необхідно здійснити добрий тепловий контакт, забезпечивши в одночас відсутність електричного контакту. Це стосується, наприклад, термометра опору, що повинен бути електрично ізольований від інших частин приладу. У такому випадку варто використовувати тільки дуже тонкий ізолюючий шар. Можна скористатися для цього пластичними матеріалами, що випускаються у вигляді дуже тонких плівок товщиною до 2,5 мкм. Якщо плівка такого матеріалу приклеєна до поверхні, а термометр приклеєний поверх неї, то в цьому випадку тепловий опір буде досить малим. З цією ж метою можна використовувати і тонкий трансформаторний або цигарковий папір.

Оскільки величини теплоємності звичайно невеликі, термометр не повинен виділяти занадто багато тепла під час роботи. Це особливо важливо для електричних термометрів опору, що обов'язково виділяють джоулеве тепло. У цьому випадку додатковою причиною для забезпечення гарного теплового контакту є також вимога відсутності перегріву термометра до більш високої температури, ніж підлягаюча вимірюванню температура системи. Доцільним запобіжним заходом при роботі з електричним термометром опору, що дозволяє переконатися в тім, що термометр не перегрівається, є вимірювання опору при двох різних значеннях струму.

Якщо тверде тіло занурене в рідкий гелій, то на границі між тілом і рідиною є деякий тепловий опір. Це означає, що прилад, у якому відбувається виділення тепла, буде трохи більш нагрітий, ніж навколишня рідина. Величина граничного опору значною мірою залежить від стану й умов на твердій поверхні. Для гладкої мідної поверхні ця величина, як було виявлено, дорівнює приблизно 15/Т² градсм²/Вт. Вкажемо як приклад, що при 1,5 К циліндр діаметром 1 см і довжиною 1 см, у якому виділяється потужність 0,1 Вт, нагріється, відповідно до наведеного виразу, приблизно на 0,12 К вище температури рідкого He ІІ, у який він занурений. Граничний теплоопір в гелії вище λ - точки дорівнює —10 градсм²/Вт.

Розглядаючи різні термометри, ми цікавимося насамперед їхньою чутливістю і точністю. Однак поняття «точність» і «чутливість» можна означити по-різному, тому ми введемо зручну практичну величину, яку можна використовувати як характеристику термометра. У більшості експериментів важливо знати відносну зміну температури 100ΔТ/Т, а не абсолютну величину зміни температури ΔТ. Так, зміна температури на 0,1 К при 4 К може бути настільки ж істотною, як і зміна на 2,5 К при 100 К. Тому необхідно знати відносну зміну температури (у відсотках), що може зареєструвати наш термометр.

Рис. 2.23. Приблизні інтервали температур, в яких можна проводити вимірювання термометрами різних типів (зірочка вказує, що з допомогою тільки одного приладу не можна виміряти температуру у всьому вказаному інтервалі з достатньою чутливістю. К.т. – кімнатна температура)

Назвемо цю величину 100ΔТ/Т відносною (процентною) чутливістю (відмітимо, що, чим більш чутливий термометр, тим менша ця величина). У термометрії ми вимірюємо якусь величину Х(Т), де X (наприклад, тиск газу або опір дроту) міняється з температурою Т. Припустимо, що необхідно виміряти температури в інтервалі від Т₁ до Т₂; тоді наш прилад повинен дозволяти робити вимірювання відповідного значення величини X в інтервалі від Х(Т₁) до X(T₂). У цьому діапазоні значень X є мінімальна зміна ΔХ, яка ще може бути зареєстрована нашим приладом. Відносна чутливість нашого термометра в цьому діапазоні дорівнює:

(1)

Це одна з характеристик, якою користуються під час обговорення переваг різних конкретних термометрів.

Єдиного термометра, що може бути використаний у всіх випадках, не існує. На рис. 2.23 показані приблизні інтервали температур, що можуть бути виміряні різними типами термометрів. За допомогою гелієвих газових термометрів проводяться вимірювання в широкому діапазоні і після калібрування при двох відомих температурах їх можна використовувати для калібровки інших термометрів.