1.2. Законы и уравнения, характеризующие тепловые процессы электронагрева

1.2.1. Термометрия

Понятие температуры вводится для характеристики различной степени нагретости тел. Если система двух или более тел не может обмениваться теплом и массой с другими телами через какую-то реальную или воображаемую границу, то она считается изолированной. Каково бы ни было начальное состояние тел изолированной системы, в ней в конце концов установится термодинамическое равновесие, в котором прекратятся все макроскопические процессы.

Температура – одна из макроскопических характеристик внутреннего состояния тела. Это понятие не имеет смысла для систем, состоящих из одного или небольшого числа атомов и молекул.

Для суждения об одинаковости или различии температур двух тел А и В можно воспользоваться третьим телом С и привести его последовательно в тепловой контакт с А и В. При этом тело С должно быть настолько мало, что при приведении его в контакт с телами А и В, температуры тел А и В заметно не изменяются, хотя изменения температуры тела С могут быть значительными. Такое достаточно малое тело С называют термоскопом. Малость тела существенна. В противном случае термоскоп заметно искажал бы температуру испытываемого тела.

Примером термоскопа, основанного на использовании явления увеличения объема воздуха с повышением температуры, может служить стеклянный сферический баллончик с прямой или изогнутой коленом трубочкой, частично заполненной жидкостью (рис. 1.4).

Другим примером термоскопа могут служить два провода из разнородных металлов, спаянных своими концами, и включенный в образовавшуюся таким образом замкнутую цепь гальванометр (рис. 1.5). Действие такого термоскопа основано на эффекте Зеебека, который заключается в том, что при разной температуре спаев между ними возникает ЭДС, пропорциональная разности температур спаев, которую называют термоЭДС. Под действием термоЭДС в цепи потечет термоэлектрический ток. Такой термоскоп называют термопарой.

Рис. 1.4	Рис. 1.5

С помощью термоскопа можно установить ряд постоянных и легко воспроизводимых температурных точек. Различают

– нормальные точки плавления (НТП) веществ, при которых твердая и жидкая фазы находятся в равновесии при нормальном давлении (101 325 Па);

– нормальные точки кипения (НТК) веществ тоже при нормальном давлении;

– нормальные точки возгонки (НТВ) веществ также при нормальном давлении.

Наконец, могут сосуществовать в равновесии при определенных значениях давления и температуры три фазы вещества: твердая, жидкая и газообразная. Температура трех фаз называется тройной точкой (ТТ). Для воды она наблюдается при давлении 4.58 мм рт. cт. (611 Па).

Температурные точки – НТП, НТК, НТВ и ТТ – используются для построения температурных шкал, с помощью которых температура определяется уже количественно. Температурная шкала устанавливается с помощью любого термоскопа. Проградуированный по определенному правилу термоскоп превращается в термометр, т. е. прибор для измерения температуры.

Требования к термометру: чувствительность; точность измерений; воспроизводимость; быстрота перехода в тепловое равновесие с измеряемым телом (постоянная времени термометра).

Основной частью термометра является термометрическое тело, которое приводится в тепловой контакт с измеряемым телом. Физическая величина, служащая индикатором температуры, называется термометрической величиной. Например, у медицинского градусника прошлого века термометрическим телом является ртуть, а термометрической величиной – ее объем.

До 1954 г. температурные шкалы строились по двум реперным точкам – НТК воды T_к и НТП льда T_пл, причем T_к – T_пл = 100. Температура, отсчитываемая по такому термометру, называется эмпирической температурой, а соответствующая шкала температур – эмпирической температурной шкалой.

Позже было установлено, что температура ТТ воды T_тр обладает лучшей воспроизводимостью, чем T_к воды и T_пл льда. Принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке T_тр воды. Такая шкала, в отличие от шкалы интервалов, построенной по двум реперным точкам, называется шкалой отношений. В так называемой абсолютной термодинамической шкале Кельвина, построенной на основе второго начала термодинамики, принимается T_тр = 273.16 К.

Такой выбор численного значения T_тр делан для того, чтобы промежуток между T_к воды и T_пл льда составлял с максимальной точностью 100 К, если пользоваться газовым термометром с идеальным газом. Этим устанавливается преемственность шкалы Кельвина с ранее применявшейся шкалой Цельсия с двумя реперными точками. Измерения показали, что T_к воды равно 373.15 К и T_пл льда равно 273.15 К приближенно.

Основной температурной шкалой в физике является абсолютная термодинамическая шкала, построенная на основе второго начала термодинамики. Ее называют шкалой Кельвина. В интервале от 4 до 1338 К (точка затвердевания золота) измерение температуры по шкале Кельвина осуществляется газовым термометром.

Наиболее распространенными в технике эмпирическими шкалами являются

– шкала Цельсия (C),

– шкала Реомюра (R),

– шкала Фаренгейта (F),

а термодинамическими –

– шкала Кельвина (К),

– шкала Ранкина (Ra).

Соотношение между шкалами определяется следующим образом:

Основными видами термометров являются:

1. Газовый термометр. Это громоздкий сложный прибор, медленно приходящий в тепловое равновесие с измеряемым объектом. Используется в качестве первичных приборов в бюро стандартов и в метрологических отделах НИИ для градуировки и поверки вторичных приборов.

2. Жидкостные термометры. Их устройство общеизвестно, точность – низкая. Применяются для измерения температуры в диапазоне от –200 до +600 С. Используемые жидкости:

– пентан (от –200 до +20 С),

– этиловый спирт (от –70 до +100 С),

– толуол (от –70 до +100 С),

– ртуть (от –38.86 до +600 С).

3. Термометры сопротивления. Градуируются газовым термометром. Имеют нелинейную шкалу. Типы термометров сопротивления:

– платиновый (от –200 до +650 С),

– медный (от –50 до +180 С),

– угольный и германиевый (ниже 20 К).

Удельное сопротивление и температурный коэффициент угольных и германиевых термосопротивлений на порядок выше, чем металлических. Угольные и германиевые сопротивления – высокочувствительные и малогабаритные.

4. Термопарные термометры (термопары). Каждая термопара состоит из двух проволок А и В, изготовленных из разнородных металлов и сваренных своими концами. Если спаи имеют разные температуры, то возникает электрический ток. Один из них называется спаем сравнения. Он должен поддерживаться при постоянной температуре, например, погруженным в тающий лед. Это – опорная температура. Другой спай – измерительный – приводится в тепловой контакт с телом, температуру которого надо измерить. В цепь термопары включается вторичный прибор для измерения возникающей термоЭДС. Есть схемы включения термопар, позволяющие поддерживать спай сравнения при любой постоянной температуре.

Основные типы термопар из неблагородных металлов:

– хромель-копелевые термопары (ТХК). Рабочие температуры – от –50 до +600 С и до +800 С при кратковременных замерах;

– хромель-алюмелевые термопары (ТХА). Рабочие температуры – от –50 до +1100 С и до +1300 С при кратковременных замерах;

– медь-константан. Рабочие температуры – от –200 до +350 С .

– железо-константан. Рабочие температуры – от 0 до +750 С.

Основные типы термопар из благородных металлов:

– вольфрам-рениевые термопары (ТВР). Рабочие температуры – от 0 до +1800 С и до +2500 С при кратковременных замерах;

– платино-родиевые термопары (ТПР) и термопреобразователи платиновые (ТПП). Рабочие температуры – от +300 до +1600 С и до +1800 С при кратковременных замерах.

В качестве вторичных (регистрирующих) приборов к термопарам и термосопротивлениям применяют милливольтметры, логометры и потенциометры.

Измерение очень высоких температур (тысячи градусов) наталкивается на отсутствие термопар, выдерживающих без плавления такие температуры. Часто встречается необходимость измерения температуры бесконактным способом. В таких случаях о температуре судят по излучению тел. Роль термометрического тела здесь выполняет само излучающее тело. Термической величиной служит интенсивность излучения тела. Приборы на этом принципе называются пирометрами.